让智能玻璃更智能:基于本征离子通道实现电致变色技术的明暗可控、冷热可调

电致变色是电致变色材料的光学属性在外加电场的作用下发生稳定、可逆的变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。由电致变色材料做成的电致变色器件已经广泛应用于智能窗、汽车观后镜、电致变色显示器等领域,其中应用最为广泛的是电致变色智能窗,它可以通过改变电压而使窗户呈现不同的透明度,为人们营造健康舒适的光环境,如美国波音787客机的客舱窗就使用了电致变色玻璃。然而传统的电致变色玻璃的设计大多是追求对可见光谱的调节能力,即改变外加电压产生肉眼可辨的颜色变化,对热量产生的根源——红外光的调控空间有限。理想的电致变色玻璃应既有低反射率性质以利冬天保温,又能阻隔室外热量以减少夏季空调负担,并在此基础上实现光与热的独立调控,即让窗户分别拥有亮模式、暗模式以及热模式、冷模式的状态,这就需要对可见、近红外双波段实现独立调控。

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中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵志刚研究员团队将具有表面等离子共振效应的氧化钨纳米线和具有本征的快速离子通道的普鲁士蓝材料交替叠加,利用普鲁士蓝的本征离子通道促进电致变色插入离子的快速迁移,从而实现了电致变色玻璃中光与热的独立调控。研究团队发现,经典的阳极电致变色材料普鲁士蓝的离子通道尺寸达到3.2 Å,这一尺寸远大于传统的电致变色插入离子的尺寸(例如Li+半径为0.59 Å)。利用普鲁士蓝的这一结构特点,团队构建了一叠层结构,内层为具有表面等离子共振效应的氧化钨纳米线材料(W18O49),由于表面等离子效应的存在这种氧化钨材料有着更大的近红外光调制能力并有较为良好的电子传输性能,外层为具有大的离子通道的普鲁士蓝材料。这种材料结构设计使得电极工作时,内层的氧化钨纳米线能帮助外层传导电子,而外层的普鲁士蓝能帮助内层传输电致变色插入离子。通过优化,研究团队实现了可见、近红外双波段独立可调的四种调光模式,即亮热模式(可见光和近红外光都能透过)、亮冷模式(可见光透过,近红外光不透过)、暗冷模式(可见光和近红外光都不能透过)、暗热模式(可见光不透过,近红外光能透过),可见光调制范围达到71.2%,近红外光的调制范围达到64.8%,且均具有良好的稳定性。

相关工作已在线发表在Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.201700194) 上。

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