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二氧化釩(VO2)是一種很有前途的智能窗戶材料。當房間寒冷時，窗戶變得透明，可見光和紅外光可以照射進來給房間加熱。當室內(nèi)溫度上升到一定程度時，窗戶會自動反射紅外光來阻擋熱量。這就是智能隔熱窗的基本原理。
早在20世紀80年代末，美國科學家C.M. Ampert和瑞典科學家C.G. Ranqvist等人就提出了一種基于電致變色膜的新型節(jié)能窗，即智能窗，成為電致變色研究的又一里程碑。
給窗戶加氫困難重重
對于智能窗戶來說，“智能”無疑是最關鍵的要素之一，如何更準確地感知溫度的變化，通過光能調(diào)節(jié)二氧化釩，是科學家們高度關注的問題。經(jīng)過反復嘗試，科學家發(fā)現(xiàn)在二氧化釩中加入氫原子可以驅動它在絕緣體和導體中的狀態(tài)變化，帶來光線的變化，從而起到智能控制室內(nèi)溫度的作用。
然而，這種方法的實際制備成本非常昂貴。因為氫原子的加入需要貴金屬如鉑或金在高溫下催化，然后注入高能量。另外，理論上二氧化釩的狀態(tài)轉化只能調(diào)節(jié)紅外光透射率小于15%，可見光透射率小于60%，不能完全滿足實際需要。
基于二氧化釩相變膜的溫控智能窗的概念已經(jīng)提出了幾十年，但實用的智能窗產(chǎn)品仍難以推出，主要原因有:一是太陽光譜中紅外光的調(diào)制功率不夠強(一般<15%)，使得智能窗的調(diào)節(jié)效果不能滿足實際要求。
其次，可見光波段的透光率不夠高(一般小于60%)，不能滿足正常的室內(nèi)照明要求。另外，二氧化釩相變膜的可見光透射率和紅外光調(diào)制能力相互制約，難以相互兼顧。
最后，其相對較高的相變溫度(~68°C)極大地限制了其實際應用。鑒于上述問題,傳統(tǒng)的解決方案通常是減少二氧化釩摻雜和谷物nanocrystallization相變溫度,并改變二氧化釩的光學性質的表面紋理或多層膜,但這些都是難以從根本上解決上述問題。
中國學者打破僵局
由中國科學技術大學鄒崇文和姜軍副教授領導的團隊巧妙地解決了這個問題。利用已開發(fā)的質子-電子共摻雜策略，酸的“腐蝕”效應被巧妙地轉化為向二氧化釩中添加氫原子的驅動力，從而產(chǎn)生了一種非常廉價的智能窗口材料，打破了傳統(tǒng)二氧化釩材料光傳輸規(guī)律的理論限制。
研究人員開發(fā)了一種“質子-電子共摻雜”策略，利用廉價酸溶液中的質子，以低成本和低能耗將腐蝕轉化為氫化。
記者了解到，質子是帶正電荷的氫原子，是氫原子的廉價來源，而問題是正電荷會破壞二氧化釩材料的結構，造成腐蝕后果。
根據(jù)他們的理論預測，他們發(fā)現(xiàn)通過首先向二氧化釩中注入電子，帶正電荷的質子不會腐蝕已經(jīng)積累了負電荷的材料，而是會被正電荷和負電荷的吸引力驅動進入材料，把它變成了一層耐腐蝕的氫“盔甲”。此外，理論研究還發(fā)現(xiàn)，不同濃度的氫原子進入會改變材料的電子結構，從絕緣體變成導體，甚至是新的絕緣體。
最后，他們成功地開發(fā)了一種二氧化釩材料，該材料可以在室溫下應用固體電解質，以極低的正負偏置可逆地調(diào)節(jié)氫化反應的濃度。其對太陽光譜中的紅外光的調(diào)制能力達到26.5%，并實現(xiàn)可見光透過率高達70%。
這一結果超越了以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的實驗結果，甚至突破了傳統(tǒng)二氧化釩溫控智能窗紅外控制能力的理論極限，大大提高了基于二氧化釩的“智能視窗”的應用可能性。已申請相關技術的發(fā)明專利。
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