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北科大&北大楊槐/于美娜團(tuán)隊 CEJ：一種雙功能柔性智能節(jié)能PDLC窗戶
2024-04-07  來源：高分子科技

  全球變暖和氣候變化正日益威脅著人類的生存，為此，許多政府已經(jīng)制定了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，以減少碳排放。建筑是碳排放的主要來源之一，其能耗占總能耗的四分之一以上。其中，通過門窗的能量損失占一半以上，特別是在透明玻璃窗占比極大的現(xiàn)代建筑中，因為透射陽光會產(chǎn)生很多熱量。由于太陽光中的近紅外部分是輻射熱的主要來源，因而屏蔽近紅外光可以有效降低室內(nèi)溫度，助力緩解能源危機(jī)。



  針對上述問題，北京科技大學(xué)楊槐/于美娜團(tuán)隊等人設(shè)計了一種基于聚合物分散液晶(PDLC)復(fù)合材料的柔性雙功能智能窗戶，集成銀納米線作為透明導(dǎo)電電極（TCE），以Tm3+/Yb3+-CsxWO3（Tm3+/Yb3+-CWO）作為近紅外屏蔽和空氣凈化層。該智能窗戶不但可以通過外加電壓的大小控制對可見光和近紅外光的透射率以實現(xiàn)太陽光的動態(tài)調(diào)控，還具有一定的自清潔能力。相關(guān)工作以“A novel dual-functional flexible dimming film for smart window applications: energy saving and self-cleaning performance”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院張作為為文章第一作者，北京科技大學(xué)/北京大學(xué)楊槐教授、北京科技大學(xué)于美娜特聘副研究員和劉傳寶副教授為共同通訊作者。 


文章要點


1. 成功制備合成了Tm3+/Yb3+-CWO納米粒子


  通過水熱法成功將不同濃度比例的稀土離子摻雜到鎢酸銫納米粒子中，通過XRD、紅外光譜以及XPS分析了其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。此外，用PL光譜分析了稀土離子的上轉(zhuǎn)換功能，在980nm波長激發(fā)下，納米粉體可以發(fā)出可見光。同時，稀土離子的加入，大大促進(jìn)了鎢酸銫納米粒子的電荷空穴的分離，光電流測試表明，經(jīng)摻雜后的鎢酸銫有著更高的光電流強(qiáng)度。將其分散在PVA溶液中，制備出的薄膜展示出了優(yōu)秀的近紅外吸收功能。 


Figure 1. (a) UC emission spectra of CWO-0.1/5, 0.3/5, 0.5/5 and 0.7/5; (b) photographs of UC emission; (c) energy level diagram of Tm3+ and Yb3+ ions and the UC process; (d) fluorescence lifetime curve; (e) Photocurrent diagram of different particles; (f) infrared thermal images of samples CWO, CWO-0.1/5 and CWO-0.5/5 under the infrared light; (g) transmission spectra of films coated with CWO, CWO-0.1/5, CWO-0.3/5, CWO-0.5/5 and CWO-0.7/5, respectively; (h) photographs of the PDLC coated with different films; (i) transmission spectra of films coated with 0.1C, 0.3C, 0.5C and 0.7C -0.5/5, respectively.


2. 制備PDLC/Tm3+/Yb3+-CWO 復(fù)合薄膜


  首先合成制備了合成了Ag納米線，通過旋涂法將其涂覆到PET薄膜，待干燥后得到透明導(dǎo)電電極，其次，將制備好的Tm3+/Yb3+-CWO納米粒子分散在10% 的PVA溶液中，涂覆在PET表面，作為近紅外吸收層和自清潔層。最后，利用聚合誘導(dǎo)相分離制備PDLC層，得到具有近紅外屏蔽且具備自清潔能力的智能窗戶。值得注意的是，與原始PDLC相比，其在可見光波段透過率變化很小，但是在近紅外波段的透過率顯著下降，熱調(diào)控能力得到增強(qiáng)。 


Figure2. (a) Schematic diagram of the structure of PDLC film; (b-c) longitudinal and cross-sectional images of the polymer matrix in PDLC layer; (d) The electro-optical response of the initial PDLC film and the PDLC coated with Tm3+/Yb3+-CWO layer; inset: response time curve of film; (e) photographs showing the appearance variation of the composite PDLC under different voltages; (f) transmission spectra of composite PDLC under different voltages.


3. 智能窗構(gòu)建


  圖3展示了一種靈活的近紅外屏蔽智能窗戶。圖3(a-b)展示了其結(jié)構(gòu)和工作原理。這種智能窗戶具有三明治結(jié)構(gòu)：上下層是涂有Tm3+/Yb3+-CWO層和TCE層的柔性PET基板，中間層是PDLC復(fù)合材料。在PDLC層內(nèi)，液晶微滴在聚合物基質(zhì)中隨機(jī)排列，由于折射率差異使得PDLC呈現(xiàn)出散射外觀。施加電壓后，液晶分子垂直排列，使得薄膜呈現(xiàn)透明外觀。智能窗戶的太陽光譜調(diào)制和自清潔功能如圖3(b)所示？梢姽鈪^(qū)域（380 nm-780 nm）可以通過對PDLC施加不同電壓來調(diào)節(jié)，而近紅外波段的透射率可以通過Tm3+/Yb3+-CWO納米涂層來控制。由于CWO和摻雜的稀土離子的LSPR效應(yīng)，近紅外光的吸收可以得到有效實現(xiàn)。同時，在陽光下，Tm3+/Yb3+-CWO納米涂層可以被激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴。當(dāng)電子被空氣中的氧分子困住時，將產(chǎn)生·O2-自由基，具有強(qiáng)氧化能力，可以有效地將空氣中的污染物降解為CO2和H2O的小分子。圖3(c)展示了設(shè)計的智能窗戶在施加0V、5V、10V和15V電壓下的照片。隨著電壓的增加，窗戶的散射狀態(tài)(I) (II) (III) (IV)逐漸變?yōu)橥该鳡顟B(tài)。與不含CWO-0.5/5的空白窗戶(I)相比，窗戶(II)和(III)的透射率并沒有降低，反而更高，原因是適量添加納米涂層不僅可以增加近紅外光的吸收，還可以減少由于納米效應(yīng)導(dǎo)致的窗戶表面的散射和反射光。 


Figure 3. (a) Schematic diagram of smart windows based on composite PDLC and its working mechanism; (b) schematic working principle of the smart window; (c) photos of the smart window at different voltage. Concentration of CWO-0.5/5 in four window samples: (I) CWO-0.5/5 = 0g/ml, (II) CWO-0.5/5 = 0.011g/ml, (III) CWO-0.5/5 = 0.005g/ml, (IV) CWO-0.5/5 = 0.007g/ml;


4. 結(jié)論


  綜上所述，提出了一種具有雙波段(可見光和近紅外)調(diào)制功能的智能窗戶結(jié)構(gòu)，由銀納米線作為TCE, Tm3+/Yb3+-CWO作為紅外光控制層，PDLC作為可見光區(qū)域控制層。所設(shè)計的智能窗戶可以由低電壓(18V)驅(qū)動，并顯示出彎曲100度的靈活性，開啟狀態(tài)下的可見光透過率約為80%，對近紅外光的吸收率可達(dá)90%，有效降低了室內(nèi)溫度。同時，Tm3+/Yb3+的引入賦予了CWO空氣凈化功能。該智能窗結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)制能力強(qiáng)，有望為智能節(jié)能建筑窗戶和汽車窗戶提供了新的思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150601

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