目前，建筑物普遍采用的供暖、通风系统以及空调等传统控温方式造成的碳排放约占我国碳排放总量的一半以上，对我国生态环境发展造成了深远的影响。因此，迫切需要开发一类低能耗或者零能耗的建筑物热管理技术，以助力实现我国“双碳” 目标。作为一项可行的技术，近年来，基于电（热）致变材料的智能窗户凭借其可逆的光学切换特性、出色的调制效率而被广泛报道。然而，现有的绝大多数电（热）致变色智能窗在炎热的夏季时切换成着色态，仅通过阻挡太阳光的射入来抑制室内升温，不能实现被动的降温；而冬季时切换成褪色态，使阳光射入室内升温，但不能实现被动光热转化升温。
为解决上述难题，近日，烟台先进材料与绿色制造山东省实验室/中国科学院兰州化学物理研究所相关研究人员将纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals, CNCs）自组装涂层与导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）相结合，制备了集被动日间辐射制冷与光热升温于一身的电致变色智能窗。纤维素纳米晶自组装涂层内部丰富的C-O-C和C-O 基团，使其在大气透明窗口具有高中红外发射率，此外，自组装涂层内部独特的手性向列型液晶结构，可以选择性的反射左旋偏振光和透过右旋偏振光，同时具有较高的太阳光反射率和光透过率，因此，调节电压使PEDOT呈现氧化褪色态时，该智能窗显示纤维素纳米晶自组装材料的结构色，在炎热的夏季可以实现辐射制冷；调节电压至着色态时，该智能窗显示PEDOT还原态深蓝色，在冬季户外面对太阳光照射时由于导电聚合物的光热效应，可以引起内部温度的升高。此外，该智能窗还可以保证夜晚的隐私效果（图1）。
图1电致变色智能窗制冷-光热控制原理。
作者首先测试了该电致变色智能窗在室内的热管理性能。用不同功率的氙灯光源照射智能窗，同时调节电源，测试智能窗在褪色态时的辐射制冷效果以及着色态时的光热升温效果（图2）。利用红外相机实时监测其表面温度，研究发现，该智能窗在室内环境下表现出出色的辐射制冷/制热效果。
图2电致变色智能窗室内制冷-光热性能表征。
随后，作者在户外验证了该智能窗夏季和冬季的辐射制冷及光热升温效果。实验证实，在炎热的夏季（2023年7月22日），该智能窗内部与环境温度相比，可以实现6.8 oC的降温；在冬季时（2023年11月12日），与环境温度相比，由于其出色的光热转换效果，与环境温度相比，内部可以实现30.7度的升温（图3）。此外，该电致变色智能窗还具有出色的稳定性，经过两小时的着色态-褪色态多次切换，该智能窗制冷-制热性能保持稳定。
图3电致变色智能窗户外制冷-光热性能测试。
在冬季时，由于外界早晚光照强度和温差过大，可以通过调节电压，控制透光率，保持室内温度的恒定舒适；夏季时，由于褪色态时纤维素纳米晶材料优异的辐射制冷性能，因此也能保持室内温度的凉爽。最后，该团队还利用软件模拟了该电致变色智能窗应用到世界上不同地区的节能减排效果。结果表明，该智能窗应用到南北半球不同地区均具有出色的节能效果，并可以有效地降低二氧化碳的排放（图4）。
图4电致变色智能窗在不同季节、不同城市的节能减排模拟数据。
本研究成功开发了一种集合纤维素纳米晶自组装材料被动辐射制冷性能和导电聚合物电致变色及光热升温于一身的智能窗。在炎热的夏季，通过切换外接电压至褪色态，由于纤维素纳米晶自组装材料内部高红外发射率及太阳光反射率，可以实现室内被动降温；在寒冷的冬季时，切换外接电压至器件呈现着色态，由于导电聚合物PEDOT出色的光热转换效果，可以实现内部的升温；此外，还可以通过调节电压以调控智能窗的可见光透光率，达到夜晚保护隐私的效果。随着进一步的研究和优化，该智能窗材料有望在未来的绿色建筑领域中得到广泛应用，以缓解全球气候变化和能源危机。上述工作近期以Electrically Controlled Smart Window for Seasonally Adaptive Thermal Management in Buildings为题发表在Small杂志上。论文第一作者为烟台先进材料与绿色制造山东省实验室的助理研究员冯凯博士，通讯作者为烟台先进材料与绿色制造山东省实验室/中国科学院兰州化学物理研究所的吴杨研究员与马延飞研究员。该工作是该团队最近在智能热管理防护涂层材料领域的最新工作之一。在今年，该团队利用纤维素纳米晶自组装涂层的高红外发射率及太阳光发射率，报道了一种应用于建筑物降温及个人热管理的涂层，实现高辐射制冷效率与透明性的统一（Chem. Eng. J. 2024, 488, 151176）；发展了一种具有防除冰和热管理性能的可逆热致变色相变储热涂层（Chem. Eng. J. 2024, 482, 148837.）；开发了一种用于高效防冰/除冰和防雾的坚固透明光热全疏涂层（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 35805-35814.）；设计并制备了一种多层复合热管理防护涂层体系，实现表面夏季辐射制冷与冬季电热除冰的功能（Surf. Coat. Tech. 2024, 485, 130927）。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202407033
