具有导电离子凝胶、相变热致变色特性及适用于所有气候区域的节能型智能窗户

《Chemical Engineering Journal》：Smart windows with conductive ionogel featuring phase-inverse thermochromic properties and energy-saving capabilities across all climate zones

　　我们制备了基于离子液体的热致变色离子凝胶智能窗。该离子凝胶可实现全天候光热调节。该离子凝胶具有高透光率和优异的机械性能。现场建筑测试表明，该智能窗可降低室内温度。通过全球能耗模型验证了其在多种地区的节能性能。引言随着工业化、城市化和现代化的推进，住宅和商业建筑中供暖和制冷等热管理过程消耗了大量能源 [1], [2]。建筑部门占全球能源消耗的40%；因此，建筑部门的节能和低碳发展至关重要 [3], [4]。为降低建筑能耗，各种减排策略已被广泛研究 [5]。其中，一种由智能材料 [6] 构成的新型智能窗，能够主动适应外部环境，引起了广泛关注 [7]。智能窗可根据温度 [8], [9]、电 [10], [11]、光 [12] 或机械刺激 [13] 等外部条件的变化，在透明和不透明状态之间动态切换。通过智能调节太阳光谱的透射率，它们能显著改变进入室内的光和热量，从而实现节能和光控 [14], [15]。在这些策略中，温度响应材料得到了广泛应用 [16]，因为它们能直接感知太阳辐射的热量并自主调节透射率，无需额外设备或能量输入，从而实现零能耗性能，即无需持续外部能量输入即可动态调节太阳辐射的能力 [17], [18]。温度响应聚合物分为LCST（低临界溶解温度）相变聚合物 [19] 和UCST（高临界溶解温度）相变聚合物 [20], [21], [22]。目前，研究人员主要利用LCST来实现智能窗的光学调制。具体而言，智能窗在白天（温度较高时）变得不透明以阻挡太阳辐射；然而，这种状态会显著减少进入室内的自然光。因此，白天必须开启人工照明，节能效益被照明能耗的增加部分抵消 [23]。更重要的是，此类窗户在夜间（温度较低时）恢复透明状态，无法提供主动的隐私保护，不能满足居住空间的基本隐私需求 [24], [25]。相比之下，UCST型材料可以克服这些缺点。当温度超过临界温度τc时，聚合物呈现均匀、高度透明的状态 [26]。在此，τc定义为首次观察到透射率明显变化时的起始温度，该值由在不同恒定温度下进行的温度依赖透射率测量确定 [27]。当温度低于τc时，聚合物链聚集并发生相变，形成不均匀、不透明的宏观状态，在低温夜间条件下自动确保隐私。这个过程完全由环境驱动，无需额外能耗 [28], [29]。例如，Zhang团队提出了一种太阳能驱动的动态调制UCST型水凝胶。该水凝胶的可见光透射率达到99.05%，太阳能调制能力为33.42% [25]。随着夜间温度下降，该水凝胶呈现不透明状态，从而保护居住者隐私。有趣的是，我们发现UCST型聚合物具有光谱选择性调节特性。白天，在透明状态下，它们允许包括蓝光在内的可见光通过，这与用户的昼夜节律一致 [30], [31]。夜间，在不透明状态下，它们能有效阻挡环境中的人造光和蓝光，减少其对松果体褪黑素分泌的抑制作用，从而有助于维持健康的昼夜节律和睡眠质量 [32]。迄今为止，研究人员已开发出多种温度响应材料，包括热敏水凝胶 [33]、离子凝胶 [34]、热致变色钙钛矿 [35]、过渡金属 [36] 及其衍生物，以及液晶 [37]。其中，热敏水凝胶 [38], [39] 因其调节光透射率的能力和易于调节的特点，在智能窗研究中受到广泛关注 [40]。然而，热敏水凝胶存在两个固有缺点：高水挥发性和低机械强度，这限制了它们的实际应用。相比之下，离子凝胶由嵌入并固定在三维聚合物网络中的离子液体组成 [41]。这些材料具有低挥发性、宽液体温度范围、强溶解性和优异的热稳定性 [42]。此外，离子凝胶智能窗因其出色的温度响应性和优异的环境稳定性而备受关注 [43]。例如，Yang及其同事 [44] 将疏水性离子液体引入体系，通过动态原位相分离制备了高韧性、不对称的热致变色离子凝胶。因此，使用离子凝胶可以实现预期的性能。在此，我们开发了一种UCST型离子凝胶（HMA）智能窗（图1a），它具有宽范围的相变温度控制和优异的光学可逆性，能够动态调节太阳透射率以实现高能效。该离子凝胶基于丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸甲酯（MA）、丙烯酸-2-羟丙酯（HPA）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄），通过一步光聚合策略制备。通过改变材料比例，HMA的相变温度（τc）可在?10?°C至37?°C的宽范围内调节，以满足大多数应用场景的需求。低于τc时，温度依赖的分子间相互作用平衡有利于离子凝胶内部结构异质性的增加，导致光散射增强并呈现不透明外观。高于τc时，热运动增加和相互作用平衡改变有利于更均匀的状态，导致光散射降低并呈现透明外观（图1b）。此外，HMA离子凝胶表现出优异的综合性能，包括出色的可见光透射率（T_lum?=?97.5%）、卓越的太阳光调制能力（ΔT_sol?=?78.35%）和优异的机械性能（拉伸应变831.94%，拉伸应力450.62?kPa，对玻璃的粘附强度114?kPa）。在室内节能测试中，HMA离子凝胶智能窗在白天将室内平均温度降低了4.1?°C，并在夜间提供良好的隔热效果，显著降低了空调能耗。为验证其实用性，使用EnergyPlus进行了全球节能模拟，估计全球平均节能117.11?MJ?m^?2?year^?1，平均减少碳排放13.61?t?year^?1。CO?减排量根据年节电量及相应的排放因子计算，如式(5)所述。加热至τc以上时，HMA/IL_60%在大约3?秒内从不透明迅速转变为透明，显示出快速的热致变色光学响应。此外，HMA离子凝胶含有大量自由迁移的阴离子和阳离子，这赋予其导电性并能够转换电信号。凭借3?秒的快速响应时间，可以实时监测智能窗的状态。基于这些结果，HMA离子凝胶在节能、隐私保护以及全天候光热动态实时监测方面具有广阔的应用前景（图1c）。章节片段材料丙烯酸-2-羟丙酯（HPA）、丙烯酸甲酯（MA）和丙烯酰胺（AAm）购自麦克林生化试剂有限公司，（2,4,6-三甲基苯甲酰基）膦氧化物（TPO）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）购自上海旻德尔生物科技有限公司。所有化学品和材料均未经进一步纯化直接使用。HMA离子凝胶的制备使用不同比例制备离子凝胶样品热致变色离子凝胶的制备及热致变色机理图2a展示了HMA离子凝胶的合成过程。将AAm、MA、HPA和BMIMBF₄加入烧杯中，搅拌十分钟直至完全溶解。将混合物与光引发剂TPO充分混合后，形成均匀、透明的预聚物前体。将混合物在365?nm、100?mW?cm^?2的紫外光下固化五分钟，完全聚合得到HMA离子凝胶（表S1）。HMA离子凝胶中的分子相互作用为结论本研究报道了一种专为智能窗设计的多功能热致变色离子凝胶（HMA）。基于由芳酰胺（AAm）、丙烯酸甲酯（MA）、丙烯酸-2-羟丙酯（HPA）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）形成的三维网络结构。该三维网络结构实现了高光透射率（T_lum?=?97.5%）、优异的太阳能调制能力（ΔT_sol?=?78.35%）、可调临界温度（τc，?10?°C-37?°C），以及CRediT作者贡献声明Yulin Liu：写作–审阅与编辑，写作–原稿，形式分析，概念化。Ningshuo Dong：形式分析。Kui Wang：调查。Chang Yang：资源。Chuyan Zhang：软件。Xumin Li：方法学。Xudong Liu：调查。Linghan Xiao：写作–审阅与编辑，写作–原稿，资源，经费获取。Yujing Liu：监督，资源。利益冲突声明作者声明，他们已知晓无竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。致谢本工作得到了国家自然科学基金（资助号：51603020）和吉林省科技项目（资助号：20260201102GX）的支持。Yulin Liu|Ningshuo Dong|Kui Wang|Chang Yang|Chuyan Zhang|Xumin Li|Xudong Liu|Linghan Xiao|Yujing Liu