WO3基气致变色薄膜结构可控生长与循环稳定机制研究

With the rapid economic and social development, energy conservation is becoming more and more important. Buildings are high energy consumption units most of which are contributed by glass windows. Thus, it is quite imperative to develop a new kind of energy-saving smart windows of which the energy-saving effect can be artificially adjusted according to seasonal changes. Among the smart windows, low-cost gasochromic windows prepared via sol-gel technology have been recognized to be one of the most promising industrial applications. This project based on Sol-Gel method is going to investigate the mechanism of growth and stability control of WO3 edge-sharing ,hexagonal phase and nanocluster porous microstructures, the interaction between the hydrogen/oxygen atoms and WO3 during coloring/bleaching processes, the transformation of WO3 edge-sharing structure, hexagonal phase and nanocluster porous structures, the mechanisms of the fading and inhibition of switching stability, the cooperation effect of nano composite doping, through the control the WO3 edge-sharing structure, the hexagonal phase nanocluster porous micro-structure, combined with doping of nano materials, modified replacement of low surface tension solvent, and post treatment of UV and gas mixture. According to these studies, a kind of energy saving, high sensitivity, fast response, long life and large-scale (greater than 100 × 100 cm) of WO3-based gasochromic energy-saving smart windows are to be produced. This work will not only enrich the surface and interface theory of nano-porous structure, but also develop serials of novel materials and technologies of building energy-saving smart windows.

随着经济社会的快速发展，节能减排越发重要。建筑是高能耗单元，玻璃窗体是建筑能耗的主要部件，发展一种适合我国四季分明特点、光学特性随季节变化可人为调节的节能智能玻璃窗势在必行。采用溶胶凝胶技术低成本工业化生产气致变色节能智能窗最具有应用前景。本项目采用溶胶-凝胶方法，通过控制WO3共边、六角相与纳米团簇多孔等微结构，结合纳米掺杂复合和低表面张力溶剂修饰替换、紫外光与气体混合后处理，研究WO3共边、六角相与纳米团簇多孔微结构的可控生长与稳定机制、致色/退色过程中氢、氧原子与WO3的相互作用、共边与六角相及纳米团簇多孔结构的演变、致/退色循环耐用性能衰减机制与抑制机理、纳米掺杂复合的协同作用机制等，研制出节能效果好、灵敏高、响应快、寿命长的大尺度（大于100×100 cm2）WO3基气致变色节能智能玻璃窗，不仅可丰富纳米多孔结构表面与界面作用理论，而且可形成一种建筑节能智能玻璃窗新材料和技术。

本项目通过4年系统研究，以环境友好、易操作的钨粉为原材料，通过非化学计量比调控、嵌段聚合物接枝、纳米团簇晶格匹配等工艺，采用溶胶-凝胶技术，成功地研制出了尺寸为140X80cm2、退色态与致色态透射率差（对比度）为54.04%、致色时光学均匀性为98.72%、致色后遮阳系数为0.30、致色平均响应时间为1.7秒、经致色/褪色循环2217次透射率差及致褪色速率均无变化的纳米多孔结构稳定可控的WO3基气致变色智能建筑节能窗；深入研究了WO3结构中共边、共角结构的控制方法及其形成、演化动力机制，并系统研究了共边共角结构的对氢离子在WO3中输运的影响机制、基于第一性原理计算方法的氢离子与纳米多孔结构相互作用机制、紫外光处理提升性能机理、中试放大工艺技术、气致变色智能节能窗节能评估、多颜色节能窗气致变色材料，不仅加深了对气致变色响应机理及性能衰减机制的理解，丰富了纳米多孔结构的表面与界面作用理论，而且寻获了抑制气致变色性能衰减的有效方法，建立了气致变色响应的电化学模型，为气致变色薄膜的设计提供理论指导。. 结合本项目的研究，我们建立了一条氧化钨气致变色智能节能窗中试实验线，形成一个企业生产标准和气致变色智能节能窗节能评估体系；构建了第一性原理计算方法及计算平台，拓展了理论研究范围；通过多变色气致变色材料的研究开拓了氧化钒作为储能材料的研究新领域。通过本项目研究，培养了中青年学术骨干3名，博士生7名，硕士生6名。形成了一支青年学术人才队伍，副教授4名，获得晨光计划1人，同济大学英才计划4人，锻炼和提升了青年教师。结合本项目研究，在Advanced Materials、Journal of Materials Chemistry A、Solar Energy Materials and Solar Cells等国际著名期刊上发表SCI收录22篇，其中ESI高被引2篇、授权了国家发明专利1个（专利号：ZL201410276299.3）。在此项目研究基础上，申请获批了以纳米多孔WO3基气致变色材料及智能节能窗、纳米结构氧化钒基锂电池及超级电容器电极材料为研究对象的863项目1项、国家自然科学基金委-新疆联合基金重点项目1项、国家自然科学基金面上项目1项、企业合作项目1项。