《Sustainable Materials and Technologies》：Self-powered electro-fogging smart windows with synergistic thermal insulation: Thermoelectric waste heat harvesting from NIR-absorptive coatings for building energy savings
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摘要建筑能耗占全球总能源需求的30%以上，而通过建筑围护结构获得的热量主导了建筑的冷却负荷。近红外（NIR）吸收型玻璃因其优异的隔热性能而被广泛采用，但存在一个关键缺陷：被捕获的太阳能转化为废热，形成玻璃间的温度梯度，引发二次传热并削弱隔热效果。传统动态智能窗依赖外部电源，其
摘要
建筑能耗占全球总能源需求的30%以上，而通过建筑围护结构获得的热量主导了建筑的冷却负荷。近红外（NIR）吸收型玻璃因其优异的隔热性能而被广泛采用，但存在一个关键缺陷：被捕获的太阳能转化为废热，形成玻璃间的温度梯度，引发二次传热并削弱隔热效果。传统动态智能窗依赖外部电源，其辅助能耗抵消了大部分节能收益。针对这两大局限，本研究开发了一种集成热电废热回收的协同隔热智能窗，将有害的玻璃间温差转化为可再生能源，驱动自给自足的光学调制。
该集成器件由近红外吸收涂层、边缘安装的热电发电机阵列和反向聚合物网络液晶（PNLC）膜组成，实现了完全无外部输入的自供电运行。在典型晴朗夏季条件下（中国南昌，8:30–16:30，峰值太阳辐照度>850 W/m2，环境温度28–37°C），该器件实现了良好的每日正能量平衡：发电量为0.086 kW·h/m2，能耗为0.045 kW·h/m2。该系统具有超快光学切换速度（雾化1.1秒，恢复2.4秒）和高达99.9%的近红外光阻挡率。户外实地测试表明，该智能窗使室内峰值温度比标准中空玻璃降低15.5°C。基于EnergyPlus软件针对全球四个典型气候区的年度模拟结果显示，年度冷却能耗降低49.5%–65.6%，总供暖和冷却能耗节约38.8%–65.6%。本研究提供了一种可扩展、无需电网的技术来提升建筑围护结构能效，为零能耗建筑部署提供了切实可行的路径。
引言
建筑能耗占全球总能源支出的30%以上，其中暖通空调（HVAC）系统约占建筑相关能耗的近50% [1]。作为建筑围护结构中热学性能最薄弱的组成部分，建筑窗户主导了夏季不利的太阳得热和冬季的热量散失，使高性能玻璃技术对于降低建筑能耗需求和实现碳中和目标至关重要 [2]、[3]。
目前，商业节能窗户以静态技术为主，主要是低辐射（Low-E）玻璃和近红外（NIR）吸收型中空玻璃 [4]、[5]。Low-E涂层通过低辐射金属层抑制辐射传热，但对太阳辐射调节缺乏目标性光谱选择性。相比之下，等离子体近红外吸收纳米材料如Cs?WO?、ATO和LaB?表现出局域表面等离子体共振效应，能够在保持高可见光透过率的同时实现选择性红外吸收，从而提供优异的太阳隔热性能 [6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，这两种静态玻璃系统都存在不可避免的局限：其固定的光学特性无法适应太阳辐照度和季节性气候变化的动态波动，限制了全年节能性能。更关键的是，近红外吸收涂层将吸收的太阳能迅速转化为热量，在中空玻璃腔体中产生显著的温度梯度。这种固有的温差引发二次热辐射和导热，成为主要的能源损失来源，降低了玻璃系统实际的隔热效率。
为克服静态玻璃的不灵活性，能够按需进行光热调节的动态智能窗已被广泛研究 [12]、[13]、[14]。电致变色技术是研究最为广泛的动态调制策略，在材料优化和器件集成方面取得了显著进展 [15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，传统电致变色器件依赖离子嵌入/脱嵌机制，存在响应速度慢和循环稳定性有限的问题。最重要的是，几乎所有有源动态窗都需要持续的外部供电来进行状态切换和维持，其辅助能耗大大抵消了光学调节所实现的建筑节能收益，限制了其大规模实际应用。
为消除对外部电源的依赖，基于摩擦纳米发电机、光伏集成和电化学自充电结构的自供电智能窗系统已被开发 [26]、[27]、[28]、[29]。然而，这些策略在建筑场景中面临固有的瓶颈：摩擦电系统需要持续的机械激励且输出功率不稳定；光伏集成窗牺牲了采光性能且电路设计复杂；电化学自充电器件功率密度低且耐久性差。值得注意的是，现有的自供电智能窗研究仅关注解决动态调制的供电问题，而忽略了近红外吸收玻璃固有的二次热损失，未能解决中空玻璃系统根能效缺陷。
已有研究证实，近红外吸收玻璃的跨窗温度梯度可通过热电发电机采集产生电能，证明了玻璃系统现场废热回收的可行性 [30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，以往的研究仅实现了独立的热电发电且输出功率密度不足，未将能量采集与动态光学调制集成形成闭环能效提升系统 [36]。迄今为止，将近红外吸收玻璃有害的二次热废转化为可用能源，并进一步实现完全自主、零外部能源的建筑热调节，仍是一个重大的技术挑战，尚未在集成闭环系统中完全实现。
将我们的热电废热采集方法与三种现有自供电策略进行对比：(1) 摩擦纳米发电机——需要机械激励且输出不稳定；(2) 光伏集成窗——牺牲采光并增加复杂电路；(3) 电化学自充电器件——功率密度低且耐久性差。本方法的关键区别在于：本研究开发了一种原位热电废热回收的协同隔热智能窗，将宽带近红外选择性吸收、边缘型热电能量采集模块和反向PNLC动态调制膜集成为单一中空玻璃单元。与被动抑制近红外吸收玻璃热缺陷的传统策略不同，本研究实现了缺陷到资源的转化：作为二次热损失根源的固有跨窗温度梯度被采集为自主光学切换的可持续电源。热电发电机（TEG）阵列布置在玻璃周围而不遮挡阳光。它们通过利用内外玻璃表面之间的温差持续发电，储存的电能供给PNLC薄膜。温度传感器触发智能窗在透明和散射状态之间切换。
在本研究中，对所提出的智能窗的光学调制性能、能量平衡特征和隔热性能进行了系统表征。开展了户外隔热测试以验证其在真实太阳辐照条件下的实际热管理性能。此外，采用EnergyPlus软件对四个代表性气候区进行了年度建筑能耗模拟，以量化其年度节能潜力和气候适应性。所提出的系统实现了超快动态响应、稳定能量平衡以及显著的隔热和节能效果 [37]、[38]、[39]。本研究提供了一种可扩展且经济有效的策略来改善建筑围护结构的隔热性能，并推动零能耗建筑的发展。
章节摘要
材料与试剂
铯钨青铜（Cs?WO?）和氧化锑锡（ATO）纳米粉体由江西赛壹纳特高新技术材料有限公司商业供应。六硼化镧（LaB?）纳米粉体由本实验室自行制备。Cs?WO?：Cs?嵌入产生自由载流子，LSPR吸收峰约1100–1600 nm，高可见光透过率；ATO：Sb??掺杂SnO?产生自由电子，LSPR吸收约1400–2500 nm，化学稳定性好且成本低；LaB?：自由电子气
自供电智能窗的设计、制备与工作机制
图1展示了热电驱动自供电智能窗的整体设计和制备过程。为实现高近红外屏蔽同时保持高可见光透过率，我们首先通过可扩展的行星式球磨工艺制备了CsxWO3/LaB6/ATO三元复合涂层。然后通过棒涂法将涂层施加到钢化玻璃基板上，并进行热固化（图1a）。该水性涂层制备工艺完全
结论
本研究提出了一种基于废热电回收的自供电智能窗闭环设计范式，解决了现有建筑玻璃技术的两个根本性局限：传统近红外（NIR）吸收玻璃固有的二次热辐射和静态光学性能，以及动态可调智能窗对外部电源的依赖。与传统的被动性能优化方法不同
CRediT作者贡献声明
叶剑勇：撰写——初稿，方法论，调查，概念化。李鹤军：验证，资源。谢红翔：可视化。肖金金：验证，资源。罗树伟：验证，资源。陈玉彤：验证，资源。刘岳：撰写——审阅与编辑。陈卫凡：撰写——审阅与编辑，项目管理，经费获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
作者感谢以下资助机构提供财政支持：国家自然科学基金（批准号22261031）、赣州稀土新材料及应用产业发展联盟（编号XTLM202508）、南昌大学自然科学交叉创新基金（批准号XX202505300004）、赣州市"苏区之光"人才计划（批准号202101124533）、江西赛壹纳特高新技术材料有限公司及江西省自然科学
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