近日，我課題組師生在國(guó)際知名期刊《Chemical EngineeringJournal》(JCR一區(qū)，中科院一區(qū)TOP，IF=15.1)上在線發(fā)表了題為“Dual response multi-function smartwindow: An integrated system of thermochromic hydrogel and thermoelectric powergeneration module for simultaneous temperature regulation and power generation”的研究論文，論文第一作者為我院碩士研究生解國(guó)祥，我院李一凡副教授和于偉教授為通訊作者。
熱致變色智能窗能夠根據(jù)環(huán)境溫度和光照水平智能調(diào)節(jié)顏色和透光率，由于其在提高建筑能效和居住舒適性方面的潛力而備受關(guān)注。然而，過(guò)度暴露在陽(yáng)光下會(huì)導(dǎo)致熱量增加，可能會(huì)影響窗戶的使用壽命。在這項(xiàng)工作中，我們介紹了一種高效智能太陽(yáng)能熱利用窗口的開(kāi)發(fā)，該窗口集成了熱量收集、溫度調(diào)節(jié)和發(fā)電功能。智能窗口通過(guò)調(diào)節(jié)熱致變色水凝膠中的甘油含量來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。此外，熱電材料與用作發(fā)電模塊的智能窗串聯(lián)和并聯(lián)布置。開(kāi)發(fā)的智能窗具有出色的陽(yáng)光調(diào)制能力（91.2%的可見(jiàn)光透射率和99.2%的陽(yáng)光屏蔽率）。同時(shí)，智能窗的響應(yīng)溫度可以從34.5°C調(diào)節(jié)到24°C。實(shí)際應(yīng)用證明，溫差發(fā)電完全可以滿足小型電器的開(kāi)關(guān)需求。這種光熱轉(zhuǎn)換之間的轉(zhuǎn)換框架在未來(lái)智能窗戶的設(shè)計(jì)中值得關(guān)注。
成果簡(jiǎn)介：
該智能窗采用PNIPAm熱致變色材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了29℃下的可逆光調(diào)制，同時(shí)保持了其良好的光學(xué)透性（包括91.2%的可見(jiàn)光透射率和99.2%的陽(yáng)光屏蔽率）。此外，設(shè)計(jì)了PVA@Gelatin-Fe2+3+/NaCl熱電水凝膠，并將其集成為溫差發(fā)電片構(gòu)成發(fā)電模塊。通過(guò)將溫差發(fā)電片串聯(lián)和并聯(lián)排布在智能窗上，利用溫度梯度實(shí)現(xiàn)自發(fā)電（40℃溫差下可產(chǎn)生75μA電流），該電能可以驅(qū)動(dòng)小型風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。這種多功能智能窗不僅實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的智能調(diào)控，其額外產(chǎn)生的電能也是一種清潔能源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。
主要的創(chuàng)新如下：
1)光熱調(diào)溫功能：該智能窗采用熱致變色材料與溫差發(fā)電水凝膠相結(jié)合，可以根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)窗戶的光透射率，有效控制室內(nèi)溫度。這種光熱調(diào)溫功能可以降低能源消耗，提高室內(nèi)舒適度。
2)太陽(yáng)能發(fā)電功能：該智能窗利用溫差發(fā)電片在窗戶上形成的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)自發(fā)電。這種發(fā)電功能可以利用太陽(yáng)能，為建筑提供可再生的電力供應(yīng)。
圖文信息：
圖1.（a）熱致變色PNIPAm水凝膠的制備工藝；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠的制備工藝；（c）集成熱致變色和熱電水凝膠的組裝智能車窗模塊的示意圖。
圖 2.（a）不同甘油含量的熱致變色水凝膠的目視比較;（b）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的傅里葉變換紅外光譜;（c）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的SEM照片;（d）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的近紅外光譜;（e）不同甘油含量的熱致變色水凝膠的DSC曲線;（f）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變引起的顏色變化的機(jī)理。
圖 3.（a）氙氣燈模擬太陽(yáng)光熱致變色測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;（b）不同氙燈輻照時(shí)間下PNIPAm-gly5水凝膠表面的溫度變化;（c）PNIPAm-gly5水凝膠與其他工作的熱致變色響應(yīng)溫度和時(shí)間比較;（d）不同氙氣燈照射時(shí)間下實(shí)際表面的溫度變化;（e）PNIPAm-gly5水凝膠的Tlum和TIR與其他報(bào)告工作的比較;（f）PNIPAm-gly5水凝膠在LCST以下和LCST以上溫度下的近紅外光譜比較;（g）熱致變色智能窗口在低于和高于LCST溫度下的光學(xué)和熱圖像。
圖 4.（a）制備的PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的數(shù)字圖像;（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的組成圖及熱電發(fā)電原理;（c）純玻璃和PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的可見(jiàn)光譜測(cè)試;（d）雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成原理;（e）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的SEM照片;（f）原始PVA與PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較。
圖5.（a）純玻璃的可見(jiàn)光譜測(cè)試PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的SEM圖像；（c）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠和明膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較；(d）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠發(fā)電能力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置；由PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠在不同溫度差下與（e）時(shí)間和（f）電流的關(guān)系；（g）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠發(fā)電電壓，并同時(shí)記錄紅外熱圖像；（h）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠在不同溫度下（30～45℃）；（i）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠的計(jì)算功率密度。
圖6.（a）多功能智能窗通過(guò)串并聯(lián)大規(guī)模集成后應(yīng)用于真實(shí)建筑的模擬效果示意圖；（b）室外演示試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置；（c）全天候溫度和發(fā)電試驗(yàn)中記錄的溫度和電壓；（d）外部負(fù)載風(fēng)扇的運(yùn)行情況以及不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的電壓、電流和功率值。