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清華大學張如范教授一周連發兩篇《Adv. Funct. Mater.》：最新研究進展

2024-12-06 來源：高分子科技

近日，清華大學張如范教授于2024年12月1日和12月4日分別以An Electro-Driven Dynamic and Multicolored Radiative Thermal Regulation Material for All-Year-Round Building Energy Saving和A Local-Dissociation Solid-State Polymer Electrolyte with Enhanced Li⁺ Transport for High-Performance Dual-Band Electrochromic Smart Windows為題在Advanced Functional Materials上發表了兩篇最新研究論文。分別介紹如下：

清華大學張如范教授 AFM：面向建筑節能的電驅動動態多色彩光熱調控材料

全球能源消耗的增長不斷增長，對能源供應以及二氧化碳排放控制提出了嚴峻的挑戰。建筑能耗占全球總能耗的30%左右，并占據了全球溫室氣體排放的10%。其中，建筑能耗的40%以上用于供暖、通風和空調系統（HVAC）。預計未來二十年建筑能耗將繼續增長，因此提高建筑的熱調節能力以減少能耗至關重要。炎熱季節，通過大氣窗口（8-13微米）的被動日間輻射制冷是一種無需能耗和沒有溫室氣體排放的新一代制冷技術。此外，在寒冷季節，降低建筑外表面的輻射率可以有效減少建筑內部的熱量耗散，從而減少供暖能耗。然而，現有的基于固定熱輻射率材料的靜態熱管理技術在動態多變的天氣條件下往往導致過冷或過熱，無法滿足全年節能的需求，甚至可能增加總體能耗。因此，迫切需要開發一種能夠適應不同氣候條件變化和不同熱需求的動態光熱調控材料或設備。

近日，清華大學張如范教授課題組設計了一種電驅動的動態多色彩輻射光熱調控材料（EDRTRM），該材料能夠動態且獨立地調節太陽輻射和中紅外輻射，展示出純制冷、多色彩制冷以及制熱等多種工作模式，適用于全年建筑節能。

首先，針對于不同環境下的需求，該團隊對于所需材料在太陽輻射以及熱輻射波段的光譜響應特性進行了精細的設計，所制備的材料在夏天需具有太陽波段的高反射率和中遠紅外波段的高發射率，尤其是對于彩色制冷狀態，需要使其在近紅外波段具有需要有高反射率，從而減少室外熱量進入室內并增加室內熱量向外發射；與此相反，所制備的材料在冬天需要具有太陽波段的高吸收率和中遠紅外波段的低發射率，從而增加對太陽輻射的吸收并降低室內的熱量耗散。該研究團隊選取紅外波段透明的多色彩電致變色材料，普魯士藍（PB）作為多色彩調節器，選擇在中遠紅外波段具有高調制率的可逆金屬銅（Cu）納米顆粒作為中遠紅外調制器，選取聚甲醛（POM）靜電紡絲膜作為高太陽光反射基底以及中紅外發射器。

圖1. EDRTRM的光譜綜合展示：（a）整體結構設計示意圖，（b）多模態切換下的光譜響應示意圖，（c）不同應用場景下的光譜特性需求示意圖。

如圖2（a-c）所示，研究團隊巧妙地利用電致變色技術，包括普魯士藍的電致變色過程和銅顆粒的可逆金屬電沉積過程，成功復合實現了光譜設計目標。在負電壓下，材料顯示出實現保溫性能，而在不同的正電壓下，材料可切換純制冷態以及彩色制冷態。如圖2（d-f）所進一步揭示，EDRTRM在太陽輻射波段的調制率可達到58.8%，在中遠紅外的調制率可達到50.2%，其共同調制幅度達到已報道文獻中的最大值。

圖2. EDRTRM的光學性質表征：（a）材料光譜響應的具體需求；（b）EDRTRM的切換過程以及數碼照片；（c）EDRTRM應用于器件結構的數碼照片；（d）EDRTRM在不同模式下的太陽輻射反射率；（e）EDRTRM在不同模式下的熱輻射反射率；（f）EDRTRM太陽輻射與熱輻射調制率與其他文獻的對比。

為了進一步探究材料優異光學調控性能的原因，研究團隊采用SEM、TEM、XPS等表征手段（圖3(a-h)），并結合米氏散射理論（圖3g）對所制備的材料進行了深入的研究。研究發現，普魯士藍在銅的電沉積過程中起到了成核位點的作用，促進了致密銅納米顆粒薄膜的形成。，這一結構優化顯著提高了材料對太陽光的吸收率，降低了其中紅外發射率，提升了電驅動熱管理材料的調控性能。

圖3. EDRTRM的微觀形貌以及元素分析：（a）Cu/PB的SEM圖；（b, c）Cu/PB的截面SEM圖以及EDX-Mapping圖；（d-f）Cu/PB的TEM表征圖；（g）EDRTRM中Cu納米顆粒與直接電沉積Cu納米顆粒的XRD表征圖；（h）EDRTRM中Cu納米顆粒的XPS元素分析；（e）不同粒徑Cu顆粒的米氏散射效率理論模擬。

如圖4所示，研究團隊進一步對所制備材料進行了戶外實驗，評估其光熱調控能力。實驗結果表明，該材料的最高溫度調控幅度可達11 ℃。在夏季條件下，與傳統屋頂材料相比，純制冷態下的材料能夠實現5~6 ℃的溫降，并且在彩色制冷狀態下也能夠4~5℃的溫降。冬季時，相較于傳統的屋頂材料，該材料的制熱態在白天可實現5 ℃左右的溫升，并在夜間中展現出與建筑材料相當的保溫能力。

圖4. EDRTRM的實際熱調控性能分析：（a）紅外熱成像裝置示意圖；（b, c）不同樣品的紅外熱成像照片；（e）戶外實驗裝置示意圖；（f-i）不同樣品的戶外溫度實驗測試結果。

研究團隊采用EnergyPlus進行了詳盡的能耗模擬計算。計算結果表明，與傳統的屋頂材料相比，所開發的EDRTRM材料在季節性溫度變化的城市中可以減少全年建筑能耗16.75 MJ/m2，并且在彩色制冷狀態下也具有一定的節能能力。進一步的計算結果還證實了EDRTRM在多種氣候帶地區都具備良好的節能降耗的能力。

圖5. EnergyPlus能耗模擬計算：（a）模式切換示意圖；（b）不同屋頂材料的全年供暖供冷能源消耗量；（c）不同屋頂材料的供冷能源消耗量。

小結：

研究者通過合適的材料復合策略與微觀形貌構建的策略實現了電驅動的動態多色彩熱調控材料的設計與制備。該材料可以滿足多場景下的建筑節能需求（制冷與保溫），具有良好的光熱調控能力。作者團隊還通過理論與實驗結合的方式進一步揭示了微觀形貌與光譜性能之間的關系，為之后的材料設計提供了理論指導。

通訊作者簡介：

張如范 清華大學化工系長聘副教授、特別研究員、博士生導師、國家高層次人才計劃入選者、中國顆粒學會青年理事、中國化學會獎勵推薦委員會委員、中國材料研究學會高級會員、中國微米納米技術學會青年工作委員會委員、中國化工學會專業會員、中國能源學會專家委員會委員，Coatings編委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年編委。主要從事納米碳材料以及功能納米材料的可控制備與性能表征及應用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊發表論文120篇。申請發明專利20項；撰寫學術專著7部。曾獲中國顆粒學會自然科學獎一等獎（2024）、中國紡織工業聯合會自然科學二等獎（2024）、中國石油與化學工業聯合會青年創新獎（2024）、全球華人化工學者學會未來化工學者（2024）、侯德榜化工科學技術青年獎（2019）、中國化學會青年化學獎（2018）、2018年《麻省理工科技評論》中國區 “35歲以下科技創新35人”（2018)、中國新銳科技人物（2018）、SusMat青年編委杰出貢獻獎（2022）、教育部自然科學一等獎（2016）、清華之友-劉述禮育才獎（2021）、瑞士喬諾法（Chorafas）青年研究獎（2015）等獎勵。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419378

清華大學張如范課題組AFM：用于高性能電致變色智能窗的固態聚合物電解質

建筑能耗在全球能源消耗中占有重要比例，其中窗戶作為建筑的關鍵部分，對室內溫度和居住舒適度有著顯著影響。為了實現建筑節能和提高居住舒適度，雙波段電致變色智能窗通過動態調節可見光和近紅外光的透過率，展現出在降低建筑能耗和改善居住舒適度方面的潛力。然而，現有的電致變色智能窗性能還未能滿足實際應用的需求，如開關速度慢、均勻性差和耐久性差等問題限制了其實際應用。液體電解質雖然能提高開關速度和均勻性，但由于易泄漏、揮發、污染等問題，不適合商業化電致變色智能窗的制造。因此，開發具有高離子導電性、良好電化學穩定性和機械柔韌性的新型固態電解質對于制造高性能電致變色智能窗至關重要。

近日，清華大學張如范團隊報道了一種用于高性能的雙波段電致變色智能窗的局部解離的固態聚合物電解質。研究團隊添加了丁二腈（SN）來松弛Li⁺-陰離子對和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGMA）電解質中的C-O鏈，使得電解質在保持固態的同時具有超快的Li⁺傳輸能力，所制備的固態電解質具有高離子導電率（6.48 mS/cm）和高透過率（>90%）。基于這種固態電解質的電致變色智能窗具有快速的變色速度（著色/褪色時間分別為3.0 s和3.2 s）、良好的穩定性（1000次循環無明顯衰減）、高著色效率（373.8 cm2/C）以及在全太陽光譜范圍內的高光學調制能力（在673 nm、1200 nm和1600 nm處調制范圍分別為85%、70%和43%）。此外，該智能窗具有明亮、涼爽、黑暗三種工作模式，可大幅度調節室內溫度，展現了在降低建筑能耗和提升居住舒適度方面的巨大應用潛力。該工作以“A Local-dissociation Solid-state Polymer Electrolyte with Enhanced Li⁺ Transport for High-performance Dual-band Electrochromic Smart Windows”為題發表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者為直博生李潤。

自支撐的固態電解質膜（記為PLS_x-SPE，其中x表示SN與PEGMA的摩爾比）由PEGMA，雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰（LiTFSI）和SN通過紫外原位聚合固化制成。通過調整PEGMA與SN的摩爾比，平衡兼顧了電解質膜的透過率、離子電導率和機械強度。如圖1所示，優化后的PLS₄-SPE在400-2000 nm波段范圍內的透過率超過90%，確保了電解質不會對電致變色電極材料的顏色帶來干擾。電解質膜具有良好的環境穩定性和自支撐能力，在自然環境中放置30天后，其透過率不會有明顯下降。此外，SN的加入使得薄膜表面更加平整光滑，具有更細小的褶皺結構，對電解質的形貌調控起到了重要作用。對電解質的電化學性能進行了進一步表征（圖2），SN的加入使得電解質膜的抗氧化能力大大提升，電荷轉移阻抗明顯降低，顯著增強了界面離子傳輸行為。優化后的PLS₄-SPE在30 °C時離子電導率達到6.48 mS/cm，表現出優異的離子傳輸能力。此外，由于電解質膜內部存在離子交聯和豐富的氫鍵，還表現出一定的自愈合能力。該固態電解質在離子導電性和透過率方面均具有突出優勢，顯示出其在固態電致變色智能窗戶中應用的潛力。

圖1. 概念提出與固態電解質設計

圖2. PLS_x-SPE固態電解質膜的電化學性能

如圖3所示，通過實驗和分子動力學模擬方法揭示了SN對Li⁺的解離和聚合物鏈的松弛的促進作用，從而加速了Li⁺在SPE中的傳輸。核磁共振鋰譜和氫譜結果均表明，SN的加入減弱了PEGMA與Li⁺之間的相互作用。使用差示掃描量熱法（DSC）研究了SPE的結晶行為，發現加入SN后SPE的玻璃化轉變溫度（T_g）降低了15.1°C，表明SN的加入減少了聚合物鏈之間的纏結，從而促進了Li⁺的快速傳輸。進一步進行了分子動力學模擬揭示分子間相互作用對Li⁺傳輸機制的影響。結合對回轉半徑和徑向分布函數的分析，結果顯示，在PLS₄-SPE中，聚合物鏈更加伸展和疏松，Li⁺與TFSI^-的相互作用更弱，表明其解離程度更高，而在PL-SPE中聚合物鏈則纏結更多并緊密與Li⁺結合。綜上，實驗和模擬結果表明，SN促進了Li⁺的解離，松解了聚合物鏈的纏結，從而極大促進了Li⁺的傳輸。

圖3. 固態電解質中Li⁺的擴散機理

利用優化后的固態電解質，構建了FTO/WO₃-CNTs/SPE/PANI/FTO結構的電致變色智能窗器件，其中CNTs用于促進WO₃和SPE之間的電子擴散（圖4）。該智能窗表現出快速的變色速度（著色和褪色時間分別為3.0 s和3.2 s）、良好的耐久性（1000次循環后電流無顯著衰減）、高著色效率（373.8 cm2 C?1）以及在全太陽光譜范圍內的高光學調制能力。通過調節電壓在2V、1V和-2.5V之間切換，在673 nm、1200 nm和1600 nm處調制范圍分別達到85%、70%和43%。以上結果顯示，本工作中構建的智能窗比現有文獻報道的的WO₃或聚苯胺（PANI）基電致變色智能窗在切換速度、著色效率和光學調制范圍方面具有顯著的優勢。

圖4. 電致變色器件性能測試與比較

進一步組裝了5×5 cm²的器件（圖5），搭建了應用于建筑的智能窗實際工作模型，測試了器件在三種工作模式（明亮模式、冷卻模式和黑暗模式）下對室內溫度的調節能力。具體來說，明亮模式下窗戶呈現淺黃色，此時絕大部分的光和熱可透過智能窗，冷卻模式下呈現綠色并可阻擋部分太陽光和熱，而黑暗模式下則呈現深藍色，透過率大幅降低，可隔絕大部分的光和熱。通過不同電壓下工作模式的切換，該智能窗的溫度調節范圍可達19.1 °C，展現了優異的光熱調控能力和實際應用的潛力。

圖5. 模擬實際環境下電致變色智能窗的光熱調控能力

本工作通過實驗和理論計算相結合的方法，成功開發了一種新型的固態聚合物電解質，并將其應用于高性能雙波段電致變色智能窗，為建筑節能和居住舒適度的提升提供了新的解決方案。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202419357

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（責任編輯：xu）

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