背景介紹
如今，建筑用能已成為社會總能耗中占比最多的項目（>40%），而建筑的高能耗通常是由用能較多的暖通空調系統造成的。為了降低空調能耗，常規手段是對傳統制冷采暖設備進行升級改造。近年來，新型節能圍護結構技術的出現從根本上減少了建筑自身的冷熱負荷，為減輕空調用能提供了全新的思路。這其中，智能變色窗就是一項極具代表性的技術。智能窗可以根據建筑的光熱需求，動態實時地調控室內太陽輻射熱吸收，實現建筑熱負荷的智能調節。
熱致變色鈣鈦礦材料，作為新型的變色技術，因其擁有近常溫的變色溫度，較短的變色時間，較高的透光率和太陽輻射調節能力而受到建筑節能智能窗領域的青睞。然而，與幾乎所有的鈣鈦礦材料一樣，熱致變色鈣鈦礦薄膜也面臨著耐候性較差，容易受濕度、水分破壞的缺點。另外由于熱致變色鈣鈦礦材料的成膜性較差，導致由其制備的智能窗涂層光學霧度較高，容易影響視野清晰度。這些技術挑戰從根本上制約了熱致變色鈣鈦礦智能窗的實際應用與大規模推廣。
為解決上述難題，近日，香港城市大學能源與環境學院曹之胤教授團隊與香港科技大學機械與航空航天工程學系黃寶陵教授團隊合作研發了一種受醫用口罩結構啟發的可呼吸，高耐候性，低霧度的熱致變色鈣鈦礦智能窗（MTP智能窗）。相關研究成果以“Mask-inspired moisture-transmitting and durable thermochromic perovskite smart windows”為題發表于國際知名期刊Nature Communications. 論文第一作者為香港城市大學博士后劉賽博士，共同一作為浙江大學百人計劃研究員李洋博士。同時該研究也得到香港城市大學任廣禹教授，葉軒立教授，余健文教授指導支持。
內容介紹
熱致變色鈣鈦礦的基本變色原理是通過熱驅動下鈣鈦礦與水蒸氣的吸附及脫附反應實現相轉變。水蒸氣是其變色的必備條件，但過多的水分又會破壞鈣鈦礦。因此，精準控制與鈣鈦礦反應的水蒸氣量是實現鈣鈦礦變色同時保持長壽命的關鍵。疫情期間，口罩成為了人們日常生活中必不可少的衛生用品。醫用口罩其獨特的三層結構設計（外層抗濕層、中間熔噴層，內層貼膚層）可以保持空氣的呼入呼出，同時也有效抵抗了飛沫傳播，大大降低病毒傳播概率。研究團隊受此啟發，也為熱致變色鈣鈦礦戴上了“口罩”，以此控制適量水蒸氣的進出，在保持鈣鈦礦能變色的同時，也避免了過量水分對鈣鈦礦的破壞。該智能窗包括三層結構：底層的熱致變色鈣鈦礦，中間層的聚氮硅烷（PHPS）及上層的疏水SiO2納米顆粒。（圖1）
圖1：口罩結構示意圖及MTP智能窗結構示意圖
PHPS及SiO2納米顆粒層均高度透明，涂布于熱致變鈣鈦礦表面并未犧牲其光學性能，MTP智能窗的冷態透光率達到了83%，太陽光調節能力達到24% （圖2）。有趣的是，其光學表現甚至超越了純熱致變色鈣鈦礦。光學性能的提升主要得益于涂布了PHPS的鈣鈦礦表面粗糙度顯著降低，這極大緩解了熱致變色鈣鈦礦成膜性差的問題，使得鈣鈦礦表面光散射效應被抑制，其光學霧度也由此大幅從90%降低到30%。光學霧度的降低解決了一直困擾熱致變色鈣鈦礦智能窗清晰度差（毛玻璃效應）的難題（圖3）。
圖2：MTP智能窗冷熱狀態切換及其透光率圖譜
圖3：純熱致變色鈣鈦礦智能窗（TPW）及MTP智能窗霧度對比
在PHPS及上層疏水SiO2納米顆粒的共同作用下，MTP智能窗也表現出良好的防水能力，這使得熱致變色鈣鈦礦智能窗的實用性得到大幅提高。測試結果顯示MTP智能窗表面的疏水角達到160o的超疏水狀態，有效防止了大顆粒水珠（如雨滴）對鈣鈦礦的破壞（圖4）。將MTP智能窗完全浸入水中5分鐘后，其依然可以保持變色功能。而純鈣鈦礦遇水后則在1秒內被破壞。良好的防水性也抑制了鈣鈦礦遇水鉛泄露的問題，使得MTP智能窗使用更加安全可靠（圖5）。另外在老化測試中，MTP智能窗可保持其原有光學性能長達一個月以上，這一結果是原熱致變色鈣鈦礦的37倍，顯著地提高了熱致變色鈣鈦礦的耐候性。
圖4：MTP智能窗的疏水性測試
圖5：MTP智能窗的防止鉛泄露測試
最后，由于口罩式結構提供的良好的防水能力，更長的使用壽命及更好的防鉛泄露保護，使得熱致變色鈣鈦礦可以直接涂布于柔性PET制成窗膜而無需額外封裝在雙層玻璃窗內（圖6），這在未來應用中可顯著降低建筑改造成本，并推動智能窗戶的大面積應用。為驗證窗膜的節能潛力，研究團隊以美國地區為例，進行了建筑能耗模擬分析，發現使用該類智能窗膜可降低建筑全年能耗高達10%。這一研究成果進一步提供高了熱致變色鈣鈦礦智能窗的實際應用性。
圖6：MTP智能窗膜及其節能潛力
總結
該研究成果中，獨特的口罩式結構設計起到了一舉多得的作用。一方面其保護了熱致變色鈣鈦礦材料，控制了適量水蒸氣的進出，實現了使用壽命的延長；另一方面其改善了熱致變色鈣鈦礦表面粗糙度較高的問題，抑制了光散射效應，極大降低了智能窗的霧度；最后，其超疏水性能隔絕了大顆粒水珠，避免了鈣鈦礦材料遇水鉛泄露的問題。這一設計不僅克服了熱致變色鈣鈦礦智能窗在實際應用中面臨的挑戰，而且也為解決其他鈣鈦礦材料器件的類似問題提供了新思路。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45047-y
