科学家制备中红外电致变色器件，能实现建筑物的全年辐射热管理

美国芝加哥大学分子工程助理教授徐伯均，是 2020 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（Innovators Under 35）中国榜单的得主，早年曾师从著名华人科学家崔屹。

图 | 徐伯均（来源：徐伯均）

最近，他和团队研发出一款中红外电致变色器件，实现了破纪录的热发射率，在 2500 次循环后仍能保持良好的可调性。理论上可以为温和气候地区的建筑物节省 8.4% 的供暖、通风和空调的能耗。

建筑能源的模拟结果则表明，当把电致变色装置用于动态建筑围护结构时，平均可以节省高达 43.1MBtu 的 HVAC 能源（Heating, Ventilation and Air Conditioning）。

同时，可逆电沉积具备较好的非挥发性，因此与建筑物的现有用电量相比，前者带来的切换能耗几乎可以忽略不计。

（来源：Nature Sustainability）

这种灵活的中红外电致变色器件，能和包括历史建筑和新建建筑在内的各类建筑兼容，并能透过一种非破坏性的方式来增强建筑物的能耗可持续性，可以在一年四季帮助建筑更好地控制温度。

鉴于历史建筑等老建筑的隔热性能通常比较弱，同时无法通过结构装修来增加隔热层。因此，此次研发的中红外电致变色器件成为唯一可以帮助老建筑调控温度的无损性手段，借此也能帮助建筑所在城市节省更多能源。

多年来一直深耕智能窗户研究的新加坡南洋理工大学龙祎教授担任相关论文的审稿人，她认为徐伯均设计的中红外电致变色器件，不仅在性能实现了新突破，还提高了能源效率，并表现出令人印象深刻的长期耐用性。

此前的电致变色器件很难拥有在中红外波段的调谐能力。现在，徐伯均课题组使用透明导电石墨烯作为电极，再以铜水溶液作为电解质，最终造出了创纪录的中红外热发射率对比度。

另外，这款既耐用又安全的电致变色器件，也展示了概念上的进步，并证明了将这类器件应用于建筑围护结构的可行性。

同时，基于中红外电致变色器件打造的电致变色热发射率调节系统，也将辐射温度调节的方法从静态推进到动态。面向热学工程和建筑工程，基于该系统的光学设计和电化学设计，也展示了一定的应用潜力。

（来源：Nature Sustainability）

建筑物消耗全球 30% 能源，人类到底该怎么办？

据介绍，这项研究旨在解决全球变暖和能源危机的问题。建筑物消耗全球 30% 的能源，全球 10% 的温室气体来自建筑物排放。因此，人类迫切需要解决建筑的能源消耗问题。

如能找到一种低能耗的方法，把建筑物的温度常年维持在一个舒适的范围内，就可以大大降低空调的全年能耗。

电致变色技术，为建筑物提供了动态可调的光学特性，并赋予了建筑被动加热或制冷的能力。

然而，大多数电致变色窗口只在可见光和近红外波长范围内工作，并未被拓展到中红外波段，这说明能源节省的潜力依旧有待挖掘。

基于中红外/热发射率控制的辐射温度调节，是降低建筑物能耗的另一种方法。基于此，徐伯均才产生了开发这种中红外电致变色器件的想法，以期提高建筑的节能能力。

因此，实现辐射温度调节技术在中红外波段的工作能力，是本次研究的主要难点。期间，课题组面临的最大挑战是如何制作超宽带透明导电电极，尤其是如何在中红外区域制备颜色透明的电极，以及找出可逆的金属电沉积。

要想实现这些目标，既需要合理地设计透明电极，也需要对界面上电化学做出物理性理解。还要对建筑级能源进行严格的模拟，以验证电致变色建筑围护结构在提高能源效率方面的适用性。

凭借先前在电化学、光学和热学方面的经验积累，在完成大量实验之后，该团队解决了这些问题。

近日，相关论文以《四季辐射温度调节的动态电致变色特性》（Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation）为题发在 Nature Sustainability 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Sustainability）

隋忱汐是第一作者，美国卡内基梅隆大学机械工程系文卡塔苏布拉曼尼安·维斯瓦纳坦（Venkatasubramanian Viswanathan）和徐伯均担任共同通讯作者。

徐伯均说：“Nature Sustainability 期刊的编辑评价称，建筑物的能源消耗已经达到一定程度，如果不提高其可持续性，就不可能实现节能和碳中和的未来。而此次电致变色的窗口设计，通过利用对辐射特性来实现智能控制，以便释放热能或吸收热能，所展示的卓越节能能力展示了通往更绿色建筑的途径。”

（来源：Nature Sustainability）

“这个计算结果非常振奋人心”

如前所述，实现太阳光和中红外热辐射的动态调控，是本次课题的主要目标。只有动态、协同地调控太阳光和中红外热辐射，才能最大程度地实现建筑节能。

虽然电能调控是最理想的方法，但是在研究早期该团队却在电化学和透明电极的上遇到了困难，一时间无法找出合适的电解液、以及可用的制备方法。

“为此，我们先从机械调控的方法入手，借此来演示光谱调控的概念，这也是我们在这一系列课题上的第一篇论文的来源（发表于 Nature Communication）。”徐伯均说。

而在 Nature Sustainability 这篇论文的研究里，他们通过数值计算发现，假如可以实现太阳光和中红外热辐射的协同性调节，就能在全年帮助建筑节省 20% 的能源。

他表示：“这个计算结果非常振奋人心，也让我们更有信心去推进课题。接下来，我和学生饶云飞、隋忱汐基于大量失败实验的经验之上，通过把聚乙烯薄膜和单层石墨烯结合在一起，开发了超宽带的透明电极。”

然后，受到美国科罗拉多大学团杜的成果启发，本次论文一作隋忱汐发现铜基水性电解液可以很好地实现可逆电镀铜，并能和透明电极结合在一起，借此可以实现创纪录的中红外热发射率的调节。

于是，他们快速捕捉这个发现，并把它发展成可以帮助建筑调控热辐射性质的器件。

徐伯均说：“我们也立即找到卡内基梅隆大学的Venkatasubramanian Viswanathan 教授，帮助我们做了理论计算，以便更好地理解出色效果背后的物理原因。”

密度泛函理论的模拟结果表明，铂对沉积的铜原子具有较高的亲和力，从而能实现均匀的电沉积、以及较低的过电位。至此，他们基本上克服了所有的科学难题。

由于这篇论文完成于新冠疫情期间，除了攻克科研难关，当时的徐伯均一度也曾面临人手不足的行政困境。

他说：“在课题的研究期间我们遇上了新冠疫情，这带来了很多麻烦。在居家隔离期间，实验室的关闭、国内访问学者的离开，都造成了实验室人手的短缺，学生做实验难度愈发加大。幸而我和学生都没有放弃，大家利用有限的资源，依然把本次课题推进到一定高度。同时，我们的合作者——卡内基梅隆大学 Venkatasubramanian Viswanathan 教授也在理论计算上给予了充足的帮助。”

不过，将本次成果投入大规模应用所面临的限制是，该器件所使用一些材料例如单层石墨烯和金微电网，依旧存在造价昂贵、制备复杂的缺点，这阻碍了本次器件的可扩展性。此外，为了实现理想的节能效果，还应考虑采用太阳能调制的方式，以便在炎热天气里让白天的温度低于环境温度的辐射冷却，而在冬季则能实现低辐射的太阳能供暖。

下一步，课题组将探索其他透明导电材料，是否也能用于可逆金属电沉积的水性电解质，并将继续优化器件的光学设计，以将可扩展性和节能性提升到高于传统技术的水平。

另外，提升该技术在制冷模式下的表现，也将成为重点推进目标。要想达成这一愿景，需要更深入的表征和理论见解，来理解相关的化学副反应、以及它们对于光学性质和可逆性的影响。

同时，也需要更加深入和精确的光学设计，来进一步降低器件的太阳光的吸收率。除此之外，也需要对电镀过程中的界面电化学反应有着更加清晰的认识，只有这样才能在提高性能的同时，扩大材料的选择范围。

届时，该团队就能使用成本更低的材料，来推进中红外电致变色器件的大规模生产。而基于电致变色、与电化学储能以及转换之间相似性，他们也将采用不同的方法，力图实现可再生能源和能源效率的广泛电气化。

参考资料：

1.Sui, C., Pu, J., Chen, TH.et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-022-01023-2