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上海硅酸盐所二氧化钒热致变色智能窗研究取得重要进展
2017-12-29 10:32:19 | 【 【打印】【关闭】

  能源危机是当今人类社会所面临的重大问题。在全球总耗能中,建筑能耗占1/3以上,而其中近一半经由建筑物窗体流失。二氧化钒(VO2)是一种典型的热致相变材料,由于其相变温度可在室温附近调节,以及相变前后显著的光学响应,而被用于研发热致变色智能节能窗。但是,有关二氧化钒基热致变色智能窗的实际应用仍存在一些问题,目前公开文献报道中,其膜层沉积温度过高(>400℃),很难应用于现有离线镀膜工艺;可见光透过率低(<35%)且太阳光调节效率较低(<10%),无法满足实际建筑节能舒适需求。再者,由于二氧化钒处于一种化合价的中间状态,其环境稳定性及使用寿命亦受到影响,在实际应用中容易被氧化而失去节能效果。 

  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所金平实研究员带领的科研团队在二氧化钒热致变色智能窗研究方面取得重要进展。该工作在曹逊副研究员主导下,基于相应的膜层结构选择和光学优化设计,获得了一款性能优异的热致变色节能窗结构。在结构中使用低温结晶Cr2O3作为模板,在非常低的温度条件下(250-350℃)获得结晶良好的VO2膜层,为采用现有节能膜离线镀膜工艺打下了良好的基础。由于精确地光学设计与优化,在低温条件下制备的Cr2O3/VO2膜的光学性能与高温(400-450℃)制备的VO2单层膜相比,其光学性能有了显著提高。在上述膜层设计与工艺条件基础上,该团队进一步设计制备了具有Cr2O3/VO2/SiO2三层膜(CVS)的节能窗结构,其可见光透过率达54.0%,太阳光调节效率达到16.1%,接近了VO2基多层膜理论计算最高值(~17%)。同时,由于SiO2层的稳定性以及经过设计的疏水表面结构,上述CVS结构具有优异的环境稳定性能,在60℃90%相对湿度的苛刻条件下进行了1000小时的老化试验后,CVS结构依然保持了良好的热致变色效果,而VO2单层膜则在200小时老化实验后完全失去调光性能。另外,在大气环境下进行的高低温循环(20-80℃)实验中发现,该结构在经过高达4000次的高低温循环之后,其热致变色效果保持不变,而同样条件下的单层膜调光性能降低了近70%。通过模拟建筑实验测试发现,使用该节能玻璃可显著降低夏天的室内温度,减少制冷空调能耗。该结构材料具有结构简单、工艺可行,高效节能的优点,在智能窗领域有着广阔的应用前景。 

  上述研究成果已发表在国际学术期刊“应用材料及界面”(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 26029−26037.) 以及“纳米能源”(Nano Energy, 2018, 44, 256-264.)(应邀作封面报道)。 

  相关研究工作得到了国家千人计划、国家自然科学基金等项目的资助和支持。 

  附文章链接: 

  http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b07137

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517307498

 

  基于CVS结构的光学设计(a)以及该CVS结构光学性能(可见光透过率及太阳光调节效率)与已报导工作的对比图(b) 

 

  对于CVS结构的节能效果表征:(a)节能模型设计示意图;(b)使用CVS镀层的玻璃与使用空白玻璃作为房屋模型的房顶时,在相同的红外辐射的条件下,两者房屋内温度变化曲线;(c)上述两种房屋模型在红外辐射下的热成像图。 

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