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福州大學(xué)賴躍坤/黃劍瑩/江獻(xiàn)財(cái)、新加坡國立大學(xué)林志群團(tuán)隊(duì) AM：熱致變色智能窗戶新進(jìn)展：高熱穩(wěn)、快相變且抗紫外

2025-03-06 來源：高分子科技

在當(dāng)今追求節(jié)能減排與舒適生活環(huán)境的時(shí)代，智能窗戶作為一種新型節(jié)能設(shè)備成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，熱致變色智能窗戶能依據(jù)外界溫度變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽光透過率，在降低建筑能耗方面潛力巨大。然而，現(xiàn)有的熱致變色智能窗戶在抗紫外、響應(yīng)速度和高溫穩(wěn)定性方面仍存在不足，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展。

近日，福州大學(xué)賴躍坤、黃劍瑩、江獻(xiàn)財(cái)、新加坡國立大學(xué)林志群聯(lián)合開發(fā)了一種基于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、Hofmeister效應(yīng)增強(qiáng)及納米顆粒屏蔽的熱穩(wěn)定復(fù)合凝膠，用于抗紫外、快速響應(yīng)和全天候調(diào)節(jié)的熱致變色智能窗戶。該復(fù)合凝膠（HDNP）由羥丙基甲基纖維素（HPMC）、聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAA）、硫酸鈉（Na₂SO₄）和聚多巴胺（PDA）納米顆粒組成。其中，PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)的引入作為支撐骨架增強(qiáng)了水凝膠的熱穩(wěn)定性，防止了HPMC在相變過程中的團(tuán)聚和析出。Na₂SO₄通過Hofmeister效應(yīng)不僅將水凝膠的低臨界溶解溫度（LCST）降至32°C，還將其相變速率提升了五倍，使其可以在30秒內(nèi)完成相變。此外，小尺寸PDA納米顆粒的引入賦予了水凝膠抗紫外能力和高透光率（>60%）。基于HDNP復(fù)合凝膠的智能窗戶展示了66.9%的透光率、51.2%的太陽光調(diào)制能力和出色的耐久性。該研究的有效設(shè)計(jì)策略為開發(fā)快速響應(yīng)和耐用的熱致變色智能窗戶開辟了新途徑。

相關(guān)工作以“Hofmeister Effect-Enhanced, Nanoparticle-Shielded, Thermally Stable Hydrogels for Anti-UV, Fast-Response, and All-Day-Modulated Smart Windows”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

1.1 智能窗的設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)的HPMC水凝膠基智能窗戶在高溫下表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性和緩慢的相轉(zhuǎn)變速率。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了一種新型智能窗，以HPMC水凝膠為基礎(chǔ)，引入了PDMAA的三維網(wǎng)絡(luò)作為支撐骨架。有效防止了HPMC水凝膠在相變過程中的團(tuán)聚和析出，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，研究人員選用無機(jī)鹽Na₂SO₄調(diào)節(jié)水凝膠的LCST和相變速率。基于其更強(qiáng)的鹽析效應(yīng)，在降低LCST的同時(shí)進(jìn)一步加快了相變速率。此外，PDA納米顆粒不僅具有出色的紫外線吸收性能，還能作為內(nèi)置“加熱器”，在光照下進(jìn)一步提高水凝膠的相變速率，同時(shí)保證了智能窗戶具有較高的透光率。

圖1. HDNP智能窗的設(shè)計(jì)理念以及與其他纖維素水凝膠基智能窗戶的性能比較。

1.2 復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性

為解決HPMC水凝膠熱穩(wěn)定性差的問題，研究人員通過引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給HPMC水凝膠當(dāng)“支撐骨架”。實(shí)驗(yàn)表明，原始的HPMC水凝膠基智能窗經(jīng)過高溫加熱后會(huì)出現(xiàn)明顯的不均勻相變，大量水凝膠團(tuán)簇從溶液中析出，熱穩(wěn)定性差。而引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的HD₂₀水凝膠，經(jīng)過高溫加熱后能保持均勻相變，體積也無明顯變化，熱穩(wěn)定性優(yōu)異。并通過多次高溫加熱/冷卻循環(huán)和長時(shí)間高溫加熱測試進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，PDMAA的引入與HPMC之間形成了氫鍵，改變了水凝膠內(nèi)部的氫鍵作用。

圖2. 復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性及光學(xué)性能。

1.3 水凝膠的相變溫度和速率

為解決HPMC水凝膠相轉(zhuǎn)變的難題，研究人員對比了不同鹽陰離子的鹽析效應(yīng)。結(jié)果顯示，SO₄^2-對水凝膠相變速率的提升最為顯著。添加3 wt% Na₂SO₄的HD₂₀N₃智能窗，在60°C加熱時(shí)，能在30秒內(nèi)從透明變?yōu)椴煌该鳎鋮s至20°C時(shí)，也能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)透明，相變速率快。此外，通過控制Na₂SO₄的濃度，可以制備出具有不同LCST的水凝膠，展現(xiàn)出良好的靈活性和廣泛的可調(diào)性。

圖3. 復(fù)合水凝膠的相變速率及光學(xué)性能。

1.4 智能窗戶的抗紫外線性能

抗紫外性能對水凝膠基智能窗戶在實(shí)際應(yīng)用中的長期耐久性至關(guān)重要，而PDA納米顆粒給智能窗戶帶來抗紫外和光熱雙重功能。研究人員通過引入小尺寸的PDA納米顆粒在保持高可見光透過率的同時(shí)，顯著提高了復(fù)合水凝膠（HD₂₀N₃P_S）基智能窗戶的抗紫外性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PDA納米顆粒能夠有效吸收紫外線，將智能窗戶的紫外透過率從83.9%降至45.8%。此外，PDA納米顆粒的光熱效應(yīng)能進(jìn)一步提高智能窗戶在光照下的相變速率。HD₂₀N₃P_S基智能窗戶在紫外線照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗紫外老化性能，經(jīng)過150小時(shí)的紫外照射后，其光學(xué)性能和結(jié)構(gòu)基本保持不變。

圖4. 智能窗戶的抗紫外線、光熱及光學(xué)性能。

1.5 全天調(diào)制智能窗戶

研究人員通過監(jiān)測配備HD₂₀N₃P_S基智能窗戶的泡沫模型房屋的內(nèi)部溫度，評估其室溫調(diào)制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬陽光照射下，HD₂₀N₃P_S基智能窗戶能有效降低室內(nèi)溫度上升速率，使室內(nèi)溫度比普通空氣窗戶和HD₂₀N₃基智能窗戶更低且更接近舒適溫度范圍。在不同天氣條件下，HD₂₀N₃P_S基智能窗戶也能保持良好的室溫調(diào)節(jié)性能，展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。此外，該智能窗戶在不同溫度下能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)透光率，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，且經(jīng)過多次循環(huán)測試后，其溫度調(diào)制性能穩(wěn)定，具有出色的耐久性。

圖5. HD₂₀N₃P_S基智能窗戶的室溫調(diào)節(jié)性能。

該研究成功制備出具有快速相變速率、高熱穩(wěn)定性和抗紫外特性的纖維素基熱致變色智能窗戶。通過引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、Na2SO4和小尺寸PDA納米顆粒，有效解決了傳統(tǒng)熱致變色水凝膠的諸多問題，為智能窗戶的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，對提高建筑能源效率、推動(dòng)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

然而，水凝膠基智能窗戶目前仍面臨水分蒸發(fā)導(dǎo)致失水的挑戰(zhàn)，這可能影響其長期性能和使用壽命。未來，通過材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)具有自愈合和抗脫水性能的新型水凝膠材料，同時(shí)創(chuàng)新先進(jìn)的封裝技術(shù)，減少水分蒸發(fā)，有望進(jìn)一步提升智能窗戶的性能，使其在建筑節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

論文的第一作者為福州大學(xué)王凱博士。福州大學(xué)賴躍坤教授、黃劍瑩教授、江獻(xiàn)財(cái)副教授、新加坡國立大學(xué)林志群教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3804905，2022YFB3804900)和國家自然科學(xué)基金(22375047，22378068)等項(xiàng)目的大力支持。

作者介紹

賴躍坤

福州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家科創(chuàng)領(lǐng)軍人才，2018-2023連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”(材料學(xué)科、交叉學(xué)科)，福建省“閩江學(xué)者”特聘教授，省“杰出青年“基金、“百人計(jì)劃”項(xiàng)目獲得者。長期從事多相分離與過濾純化、環(huán)境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤性膜層、柔性傳感材料和器件開發(fā)等方面研究。發(fā)表國內(nèi)外知名期刊上合作發(fā)表SCI論文200多篇，SCI論文引用25000余次，h-index為88。申報(bào)發(fā)明專利50余項(xiàng)，包括10項(xiàng)PCT國際專利，已授權(quán)美國專利1項(xiàng)和中國發(fā)明專利20余項(xiàng)。擔(dān)任國際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor，Polymers期刊專題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學(xué)學(xué)報(bào)，Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。

黃劍瑩

福州大學(xué)教授、博導(dǎo)，福建省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才（B類），2019-2022連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”。長期從事功能高分子材料、生物傳感材料與器件、能源與環(huán)境催化等交叉學(xué)科方向研究。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)4項(xiàng)國家級項(xiàng)目，省部級及企業(yè)橫向10余項(xiàng)。以第一作者或通訊作者在國際頂級期刊Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater等期刊發(fā)表論文60余篇，H指數(shù)67，SCI他引15000余次。獲授權(quán)發(fā)明專利30余件，美國發(fā)明專利1項(xiàng)。擔(dān)任SCI期刊Frontiers in Chemistry、Polymers、Materials等期刊編委。

江獻(xiàn)財(cái)

副教授、碩士生導(dǎo)師、福州大學(xué)石油化工學(xué)院材料化學(xué)工程系支部書記。研究領(lǐng)域：天然高分子材料，高強(qiáng)度水凝膠。

林志群

現(xiàn)任新加坡國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程學(xué)教授。研究方向包括嵌段共聚物、共軛聚合物、功能納米晶體、太陽能電池、電池、光催化、電催化、分層結(jié)構(gòu)和組裝材料、表面和界面性能。發(fā)表了超過360篇同行評審期刊文章(h指數(shù)為95)，13篇專刊，7本書。目前，擔(dān)任Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale and Nanoscale Advances的副主編，以及Journal of Materials Chemistry A 的編輯顧問委員會(huì)成員。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202418372

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（責(zé)任編輯：xu）

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