房子想隔熱?給窗戶加點“氫”
2019年05月10日09:30

  來源:中科院之聲

  二氧化釩(VO2)是很有前景的智能窗材料,當屋子冷的時候,窗戶會變得透明,可見光和紅外線進來加熱;當屋子的溫度上升後,窗戶就會自動反射紅外線以阻擋熱量進入。

  對於智能窗來說,“智能”無疑是其中最為關鍵的部分,如何更加精確感知溫度的變化,調節二氧化釩光能的透過,這是科學家非常關注的問題。經過不斷嚐試,科學家發現,往二氧化釩中加入氫原子可以驅動它在絕緣體和導體的狀態變化,帶來光能透過的變化,從而起到智能控製室內溫度的效果。

  然而,這個方法的實際製備成本卻非常高昂。這是因為氫原子的加入需要在高溫條件下用鉑或金等貴金屬來催化產生氫原子,然後再進行高能量的氫原子注入。而且,理論上二氧化釩的狀態轉變僅能夠調控紅外光透射率的15%以下,可見光的透射率也少於60%,並不能完全滿足實際需求。

  近日,中國科學技術大學鄒崇文副教授與江俊教授所領導的團隊,就解決了這個問題。他們利用所發展的質子-電子共摻雜策略,把酸的“腐蝕”效果巧妙地變成了往二氧化釩中加入氫原子的驅動力,獲得了非常廉價的智能窗材料,還打破了傳統二氧化釩材料的光學透過率調控的理論極限。

  科研人員發明了一種“質子-電子共摻雜”的策略,可以利用廉價的酸溶液裡面的質子,實現低成本和低能耗的“化腐蝕為加氫”的效果。質子是帶有正電荷的氫原子,是便宜的氫原子來源,而問題在於正電荷會破壞二氧化釩材料的結構,造成腐蝕後果。

  他們基於理論預測,發現可以先把電子注入到二氧化釩材料中,這樣帶正電的質子非但不會腐蝕已經積累了負電荷的材料,反而會在正負電荷吸引的驅動下穿透進入材料,搖身一變形成加了氫原子的抗腐蝕“鎧甲”。而且理論研究也發現,不同濃度氫原子的進入會讓材料的電子結構發生變化,從絕緣體突變為導體甚至形成另一種新的絕緣體。

  他們因此發展了電場調節的技術,根據計算獲得的加入不同濃度氫原子的能量要求,以不同的電壓驅動材料加氫。最終他們成功開發了一種在室溫下利用固態電解質施加很低的正反向偏壓就能夠可逆的調控加氫濃度的二氧化釩材料,它對太陽光譜中紅外光的調製能力達到了26.5%,並且實現了高達70%以上的可見光透過率。

  這一結果與以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的商用產品和前人結果相比,表現較為突出,突破了傳統二氧化釩溫控智能窗紅外調控能力的理論極限。

圖 電壓驅動不同濃度的氫加入二氧化釩,低成本製備獲得高性能智能窗材料
圖 電壓驅動不同濃度的氫加入二氧化釩,低成本製備獲得高性能智能窗材料

  通過這項研究,他們實現了一種極低能耗和低成本的氧化物半導體材料加氫策略,對功能材料的改性優化具有重要意義。所開發的高性能二氧化釩智能窗材料,既能夠大範圍調控光能透過性,又能滿足室內採光要求,而且其低成本的優勢也大幅度提高了“智能窗”應用可能性。

  該成果以《門電壓調控二氧化釩相變實現高性能智能窗》(Gate-controlled VO2 phase transition for high-performance smart windows)為題發表在科學子刊《科學—進展》(Science Advances, 5, eaav6815, 2019)上。

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