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我院院长唐少春教授团队在热致变色智能窗材料研发方面取得新进展

发布时间:2024-03-11点击量:109

【研究摘要】

热致变色智能窗在新一代建筑节能领域表现出广阔的应用前景。然而,实现具有较低临界溶液温度LCST可见光透过率(Tlum)和高太阳调制效率(ΔTsol)的热致变色智能材料仍是一挑战。近日,我院院长、南京大学唐少春教授团队研发出一种满足热致变色智能窗应用需求的新型聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm复合水凝胶LCST降低至室温附近(27.2表现出TlumΔTsol分别87.37%69.65%大气窗口发射率高0.962户外试验表明,组装后的智能窗太阳照射下能够实现12.3的温度下降且经过100次高低温循环测试后依然保持高度稳定。

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这项工作为满足热致变色智能窗应用需求的长效稳定高性能智能响应材料设计开发提供了一种新思路和新技术该成果“KCA/Na2SiO3/PNIPAm hydrogel with highly robust and strong solar modulation capability for thermochromic smart window”为题202437日在线发表国际知名期刊Chemical Engineering Journal, 2024, 486, 150194, DOI:10.1016/j.cej.2024.150194南京大学和海安南大研究院为通讯单位,我院院长唐少春教授为该论文通讯作者南京大学现代工程与应用科学学院硕士研究生郭瑞硕士研究生申煜椿为论文第一作者

近年来,我院唐少春教授团队持续开展新一代高性能智能薄膜材料的制备技术及应用研究,成果相继发表在Nano Energy 2021, 81, 105600; Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9, 17481; Adv. Mater. Interfaces 2021, 2101160; Materials Horizons, 2022, 9, 1232; Adv. Sci. 2023, 2300860; Adv. Sci. 2023, 10, 2206176等国际期刊上。团队的一项研究成果“智能温敏零能耗降温自清洁薄膜的研制及应用研究”入选2022年度江苏省行业领域(新材料化工纺织领域)十大科技进展。该研究是团队在热致变色智能窗材料领域取得的又一个新进展。固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、海安南京大学高新技术研究院为该项工作的开展提供了重要支持。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、江苏省科学技术厅重点研发计划项目、江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金项目的资助。

背景介绍

窗户是建筑物和外部环境之间交换热量的主要通道,建筑节能至关重要。智能窗户根据外部环境的变化,自动调节室内的温度和光线,有助于建筑节省能源消耗。根据外部刺激方式智能窗可分为机械致变色、电致变色、光致变色和热致变色等其中电致变色和机械致变色智能窗需要额外的设备消耗电能。而那些靠光线变化工作的智能窗玻璃,在多云或雾天这样的特殊天气条件下,无法有效工作。热致变色自响应智能窗结构简单,根据环境温度自动变化,不需要额外的设备或电能,能够适用于各种不同环境,达到建筑节省能源效果

热致变色智能窗依赖于高性能的热致变色材料。报道的热致变色材料主要包括无机二氧化钒和各种有机化合物,N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)、聚N-乙烯基己内酰胺、壳聚糖、羟丙基甲基纤维素和聚噻吩。其中,PNIPAm聚合物以其出色的开关特性和32的低LCST脱颖而出。但是,人体感觉最舒适的温度是22-27PNIPAm的相变温度过高。研究表明,掺杂无机盐可有效降低纯PNIPAm水凝胶的LCST加入1.4wt% NaClNaBrNaI后,PNIPAmLCST分别降至20℃25℃30℃然而,加入无机盐会导致PNIPAm分子团聚PNIPAm的稳定性降低,对智能窗的可见光透过率和耐用性产生不利影响。双交联聚合物网络体系具有优异稳定性,但有关无机盐改性PNIPAm水凝胶构建出具有双交联网络智能窗研究鲜有报道开发出兼具LCST、高ΔTsolTlum和长周期耐久性的热致变色智能窗材料仍是一挑战。

本研究首次将卡拉胶KCANa2SiO3引入PNIPAm水凝胶中Na2SiO3破坏氢键,从而将PNIPAmLCST精确地调整2528Si-O键振动在10 μm波段表现出强吸收,大气窗口发射率达到0.962KCA减少了凝胶体系内的团聚,从而提高了TlumΔTsol户外试验表明,智能窗太阳照射下实现了12.3的温度下降100次高低温循环后保持高度稳定这种新型复合水凝胶性能智能窗在汽车降温、光伏降温、建筑节能领域的发展潜力巨大

图文解析

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1. (a) 智能窗的“三明治”结构示意图,其中水凝胶层位于两块透明玻璃之间。热致变色智能窗在应用建筑,可达到冬暖夏凉的舒适效果(b)冷热交替状态下实现可见光调制能力的原理示意图。(c)不同太阳光照射时间透光率分析,插图为水凝胶变色机理图。(d)透光率随时间变化相应的光学照片面积为10×10 cm2

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2. (a-c)KNP水凝胶制备过程中材料的结构示意图(a) PNIPAm, (b) NP, (c) KNP水凝胶。(d - f)不同样品的SEM(d) PNIPAm, (e) NP, (f) KNP水凝胶。(g) PNIPAm, NPKNP水凝胶的FTIR光谱。(h) KNP水凝胶的能谱图。(i) PNIPAm0.3% NP0.6% NP0.3% KNP0.6% KNP水凝胶的DSC曲线。

说明:NPNa2SiO3/PNIPAm复合水凝胶,KNPKCA/Na2SiO3/PNIPAm复合水凝胶)。 

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3. (a) PNIPAm0.3% NP0.6% NP0.3% KNP0.6% KNP水凝胶在20°C(实线)40°C(虚线)下的透射光谱(b)不同水凝胶ΔTsol20◦CTlum值递变情况(c) 20°C水凝胶的光学照片。(d) 40°C水凝胶的光学照片。(e) 0.3% KNP水凝胶在不同温度下的透射光谱及其(f) TlumΔTlumΔTsol随温度的变化曲线。

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4. (a)实验室样板示意图。(b)白组、GPNIPAmGKNP100mW cm-2光强下的室内温度随照射时间的变化曲线。(c) GKNP受热后颜色变化的光学照片。(d) GKNP受热状态的热像图。(e)空白组、GPNIPAmGKNP的中红外发射率光谱说明:GNIPAm指纯PNIPAm水凝胶制成的智能窗玻璃,GKNPKCA/Na2SiO3/PNIPAm复合水凝胶智能窗。

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5. (a)户外现场试验设置建模图和实物(插图)(b) 2023831日南京市进行户外现场试验记录的温度变化曲线

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6. (a)KNP水凝胶填充夹层玻璃制备智能窗玻璃图片202398日,南京大学工程与应用科学学院大楼外拍摄的GKNP照片。(b)相变前(c)相变后。(d)近年热致变色水凝胶智能窗的透光率和阳光调节能力对比。(e) GKNP550 nm下循环100次的波长。(f) 550nm紫外线照射84小时的GKNP光谱

研究展望

本文提出一种新型PNIPAm复合水凝胶的制备方法,并探索了这种材料在热致变色智能窗应用。通过控制硅酸钠的添加量,PNIPAm的临界溶液温度LCST可被精确调25 ~ 28℃范围内KCA引入到PNIPAm中,提高了可见光透过率87.38%和太阳调制效率智能窗在阳光照射下实现了12.3°C的温度下降,即使经过100次高低温耐久性循环测试也保持高度稳定。这项工作为开发高性能、稳定的热致变色智能窗户提供了新思路相关新材料和新技术在汽车降温、光伏降温、LNG控温、建筑节能方面具有广阔的应用前景

【论文信息】

Rui Guo, Yuchun Shen, Yu Chen, Cheng Cheng, Chengwei Ye, Shaochun Tang*, KCA/Na2SiO3/PNIPAm hydrogel with highly robust and strong solar modulation capability for thermochromic smart window. Chemical Engineering Journal. 2024, 486, 150194. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150194

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