近日，我课题组师生在国际知名期刊《Chemical EngineeringJournal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=15.1)上在线发表了题为“Dual response multi-function smartwindow: An integrated system of thermochromic hydrogel and thermoelectric powergeneration module for simultaneous temperature regulation and power generation”的研究论文，论文第一作者为我院硕士研究生解国祥，我院李一凡副教授和于伟教授为通讯作者。
热致变色智能窗能够根据环境温度和光照水平智能调节颜色和透光率，由于其在提高建筑能效和居住舒适性方面的潜力而备受关注。然而，过度暴露在阳光下会导致热量增加，可能会影响窗户的使用寿命。在这项工作中，我们介绍了一种高效智能太阳能热利用窗口的开发，该窗口集成了热量收集、温度调节和发电功能。智能窗口通过调节热致变色水凝胶中的甘油含量来实现光调制。此外，热电材料与用作发电模块的智能窗串联和并联布置。开发的智能窗具有出色的阳光调制能力（91.2%的可见光透射率和99.2%的阳光屏蔽率）。同时，智能窗的响应温度可以从34.5°C调节到24°C。实际应用证明，温差发电完全可以满足小型电器的开关需求。这种光热转换之间的转换框架在未来智能窗户的设计中值得关注。
成果简介：
该智能窗采用PNIPAm热致变色材料，通过结构调控实现了29℃下的可逆光调制，同时保持了其良好的光学透性（包括91.2%的可见光透射率和99.2%的阳光屏蔽率）。此外，设计了PVA@Gelatin-Fe2+3+/NaCl热电水凝胶，并将其集成为温差发电片构成发电模块。通过将温差发电片串联和并联排布在智能窗上，利用温度梯度实现自发电（40℃温差下可产生75μA电流），该电能可以驱动小型风扇转动。这种多功能智能窗不仅实现了室内温度的智能调控，其额外产生的电能也是一种清洁能源，对于实现双碳目标具有重要意义。
主要的创新如下：
1)光热调温功能：该智能窗采用热致变色材料与温差发电水凝胶相结合，可以根据环境温度自动调节窗户的光透射率，有效控制室内温度。这种光热调温功能可以降低能源消耗，提高室内舒适度。
2)太阳能发电功能：该智能窗利用温差发电片在窗户上形成的温度梯度，实现自发电。这种发电功能可以利用太阳能，为建筑提供可再生的电力供应。
图文信息：
图1.（a）热致变色PNIPAm水凝胶的制备工艺；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶的制备工艺；（c）集成热致变色和热电水凝胶的组装智能车窗模块的示意图。
图 2.（a）不同甘油含量的热致变色水凝胶的目视比较;（b）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的傅里叶变换红外光谱;（c）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的SEM照片;（d）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的近红外光谱;（e）不同甘油含量的热致变色水凝胶的DSC曲线;（f）结构转变引起的颜色变化的机理。
图 3.（a）氙气灯模拟太阳光热致变色测试实验装置示意图;（b）不同氙灯辐照时间下PNIPAm-gly5水凝胶表面的温度变化;（c）PNIPAm-gly5水凝胶与其他工作的热致变色响应温度和时间比较;（d）不同氙气灯照射时间下实际表面的温度变化;（e）PNIPAm-gly5水凝胶的Tlum和TIR与其他报告工作的比较;（f）PNIPAm-gly5水凝胶在LCST以下和LCST以上温度下的近红外光谱比较;（g）热致变色智能窗口在低于和高于LCST温度下的光学和热图像。
图 4.（a）制备的PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的数字图像;（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的组成图及热电发电原理;（c）纯玻璃和PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的可见光谱测试;（d）双交联网络的形成原理;（e）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的SEM照片;（f）原始PVA与PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的应力-应变曲线比较。
图5.（a）纯玻璃的可见光谱测试PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶的SEM图像；（c）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝胶和明胶的应力-应变曲线比较；(d）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶发电能力测试的实验装置；由PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶在不同温度差下与（e）时间和（f）电流的关系；（g）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶发电电压，并同时记录红外热图像；（h）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶在不同温度下（30～45℃）；（i）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl热电水凝胶的计算功率密度。
图6.（a）多功能智能窗通过串并联大规模集成后应用于真实建筑的模拟效果示意图；（b）室外演示试验的实验装置；（c）全天候温度和发电试验中记录的温度和电压；（d）外部负载风扇的运行情况以及不同时间对应的电压、电流和功率值。