北科大&北大杨槐/于美娜团队 CEJ：一种双功能柔性智能节能PDLC窗户

2024-04-07 来源：高分子科技

全球变暖和气候变化正日益威胁着人类的生存，为此，许多政府已经制定了“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标，以减少碳排放。建筑是碳排放的主要来源之一，其能耗占总能耗的四分之一以上。其中，通过门窗的能量损失占一半以上，特别是在透明玻璃窗占比极大的现代建筑中，因为透射阳光会产生很多热量。由于太阳光中的近红外部分是辐射热的主要来源，因而屏蔽近红外光可以有效降低室内温度，助力缓解能源危机。

针对上述问题，北京科技大学杨槐/于美娜团队等人设计了一种基于聚合物分散液晶(PDLC)复合材料的柔性双功能智能窗户，集成银纳米线作为透明导电电极（TCE），以Tm³⁺/Yb³⁺-Cs_xWO₃（Tm³⁺/Yb³⁺-CWO）作为近红外屏蔽和空气净化层。该智能窗户不但可以通过外加电压的大小控制对可见光和近红外光的透射率以实现太阳光的动态调控，还具有一定的自清洁能力。相关工作以“A novel dual-functional flexible dimming film for smart window applications: energy saving and self-cleaning performance”为题发表于Chemical Engineering Journal，北京科技大学新材料技术研究院张作为为文章第一作者，北京科技大学/北京大学杨槐教授、北京科技大学于美娜特聘副研究员和刘传宝副教授为共同通讯作者。

文章要点

1. 成功制备合成了Tm³⁺/Yb³⁺-CWO纳米粒子

通过水热法成功将不同浓度比例的稀土离子掺杂到钨酸铯纳米粒子中，通过XRD、红外光谱以及XPS分析了其晶体结构和化学组成。此外，用PL光谱分析了稀土离子的上转换功能，在980nm波长激发下，纳米粉体可以发出可见光。同时，稀土离子的加入，大大促进了钨酸铯纳米粒子的电荷空穴的分离，光电流测试表明，经掺杂后的钨酸铯有着更高的光电流强度。将其分散在PVA溶液中，制备出的薄膜展示出了优秀的近红外吸收功能。

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. 制备PDLC/Tm³⁺/Yb³⁺-CWO 复合薄膜

首先合成制备了合成了Ag纳米线，通过旋涂法将其涂覆到PET薄膜，待干燥后得到透明导电电极，其次，将制备好的Tm³⁺/Yb³⁺-CWO纳米粒子分散在10% 的PVA溶液中，涂覆在PET表面，作为近红外吸收层和自清洁层。最后，利用聚合诱导相分离制备PDLC层，得到具有近红外屏蔽且具备自清洁能力的智能窗户。值得注意的是，与原始PDLC相比，其在可见光波段透过率变化很小，但是在近红外波段的透过率显著下降，热调控能力得到增强。

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. 智能窗构建

图3展示了一种灵活的近红外屏蔽智能窗户。图3(a-b)展示了其结构和工作原理。这种智能窗户具有三明治结构：上下层是涂有Tm³⁺/Yb³⁺-CWO层和TCE层的柔性PET基板，中间层是PDLC复合材料。在PDLC层内，液晶微滴在聚合物基质中随机排列，由于折射率差异使得PDLC呈现出散射外观。施加电压后，液晶分子垂直排列，使得薄膜呈现透明外观。智能窗户的太阳光谱调制和自清洁功能如图3(b)所示。可见光区域（380 nm-780 nm）可以通过对PDLC施加不同电压来调节，而近红外波段的透射率可以通过Tm³⁺/Yb³⁺-CWO纳米涂层来控制。由于CWO和掺杂的稀土离子的LSPR效应，近红外光的吸收可以得到有效实现。同时，在阳光下，Tm³⁺/Yb³⁺-CWO纳米涂层可以被激发产生电子和空穴。当电子被空气中的氧分子困住时，将产生·O^2-自由基，具有强氧化能力，可以有效地将空气中的污染物降解为CO₂和H₂O的小分子。图3(c)展示了设计的智能窗户在施加0V、5V、10V和15V电压下的照片。随着电压的增加，窗户的散射状态(I) (II) (III) (IV)逐渐变为透明状态。与不含CWO-0.5/5的空白窗户(I)相比，窗户(II)和(III)的透射率并没有降低，反而更高，原因是适量添加纳米涂层不仅可以增加近红外光的吸收，还可以减少由于纳米效应导致的窗户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. 结论

综上所述，提出了一种具有双波段(可见光和近红外)调制功能的智能窗户结构，由银纳米线作为TCE, Tm³⁺/Yb³⁺-CWO作为红外光控制层，PDLC作为可见光区域控制层。所设计的智能窗户可以由低电压(18V)驱动，并显示出弯曲100度的灵活性，开启状态下的可见光透过率约为80%，对近红外光的吸收率可达90%，有效降低了室内温度。同时，Tm³⁺/Yb³⁺的引入赋予了CWO空气净化功能。该智能窗结构简单，调制能力强，有望为智能节能建筑窗户和汽车窗户提供了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150601

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（责任编辑：xu）

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