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材料科学系梅永丰课题组发展卷曲智能薄膜高效提升太阳光多级调制
发布时间:2022-12-28        浏览次数:11

      建筑物能源利用效率的优化在很大程度上主导了现代城市可持续发展的进程,其中建筑物的照明、供暖和空调等能源系统占据了全球能源消耗的约40%,很多建筑物的能量会因为建筑窗户与外界热交换而大量浪费掉。因此,如何通过窗户的智能化实现太阳光的调制是建筑物热能高效利用的一项挑战。由环境温度变化引起自身物理性质变化的二氧化钒材料(VO2)成为实现窗户智能化的重要手段之一。作为无需人工干预的自响应智能窗,它可以保持可见光不变,仅仅随温度变化调节近红外区域太阳光透射,实现低温多透光,高温少透光。但是,二氧化钒材料的可见光透过率较低,红外热能的调控也同步减弱,能源管理效率的进一步提高受到材料物理特性的制约。

      12月19日,复旦大学材料科学系梅永丰课题组在《自然通讯》(Nature Communications)上发表题为《自卷曲二氧化钒纳米薄膜增强太阳光多级调制》(“Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation”)的文章,复旦大学博士研究生李星和中国科学院上海硅酸盐研究所博士研究生曹翠翠为共同第一作者,复旦大学梅永丰教授和中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员为共同通讯作者,该工作得到合作者复旦大学物理系郑长林教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员在实验设计、材料表征和数据分析方面的大力支持。

      研究团队受到百叶窗的启发,利用自卷曲技术将玻璃上的应变二氧化钒薄膜脱附并卷曲成 “叶片”阵列智能窗,通过环境温度的变化调制智能窗为完全卷曲(“开”),半卷曲(“半开”)和平面(“关闭”)状态,并实现自响应智能切换,从而在全开状态大幅提升透光率的同时,以不同的开度实现多程度光透过调制。智能窗工作方式如图1所示,室温下(a和b),玻璃表面的二氧化钒薄膜保持卷曲状态,太阳光中的可见光和近红外光都能几乎完全不受阻拦地入射到室内,提高室内温度和采光度。高温下(c和d),卷曲二氧化钒薄膜因为相变导致的应变变化而自动展开,铺平衬底遮挡太阳光中近红外光的透过,降低室内光热辐射。这样的结构设计和工作方式使低温环境下可以通过更多的透过太阳光辐射来进一步节约室内供暖和采光所需能量,而高温下又能自发恢复热辐射阻挡效果来减少室内制冷的消耗。

图1:低温下卷曲智能窗的宏观示意图(a)和微观示意图及相应的SEM图像(b),高温下卷曲智能窗的宏观示意图(c)和微观示意图及相应的SEM图像(d),比例尺:100μm;卷曲智能窗高低温下的光学照片(e)及其可见光和近红外光透光率变化(f);卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均节能量模拟对比图(g)。

      研究团队发展的卷曲智能窗在可见到近红外波段实现了随温度改变的多级太阳光透过率调制(e和f),并得到极高的太阳光调制率(42.14%)和可见光透过率(61.01%),这使得该智能窗具备了在不同温度,不同气候,不同时段高效自适应调节室内温度的能力。研究团队利用全球气候数据库与模拟软件,对不同气候类型的典型城市中装配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗与普通玻璃的房屋进行了全年能耗(包括照明、供暖和制冷)的模拟(g),由于卷曲智能窗具有比较高的太阳光调制率以及低温下良好的太阳光透过率,无论在常年炎热的环境还是四季严寒的环境,都具有比较优异的节能效果。该工作将智能二氧化钒薄膜材料的热致形变能力与热致色变能力创造性地结合在一起,突破了传统平面薄膜难以兼顾透光率、节能效率和多环境适应性的难点,为新一代的高效智能窗提供了一种新的可行性思路。

      该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中科院青年创新促进会等项目的资助和支持。


文章信息:Xing Li#, Cuicui Cao#, Chang Liu, Wenhao He, Kaibo Wu, Yang Wang, Borui Xu, Ziao Tian, Enming Song, Jizhai Cui, Gaoshan Huang, Changlin Zheng, Zengfeng Di, Xun Cao*, Yongfeng Mei*. Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation. Nature Communications, 2022, 13, 7819.


文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-35513-w