电致调控智能节能玻璃设计、微纳结构可控制备及应用研究

Huge energy consumption of buildings is a major cause of environmental problems in our country, such as air pollution and smog. Therefore, buildings' energy saving is an important part of the energy revolution in our country. To solve the problem that the traditional architectural energy saving glasses cannot regulate full spectrum dynamically, we innovationally propose an electrochromic smart energy-saving glass which can control the full spectrum. The high performance electrochromic materials be designed and simulated theoretically, and prepared by a sol-gel method, such as ITO, FTO, WO3, etc. composited with amorphous WOx. The solid-state ion conduct layer based on organic and inorganic compounds will be prepared to develop the electrochromic energy saving smart glasses. We will prepare a kind of nanocrystalline composite materials which can modulate visible light and near infrared light. The component, micro-nano structure regularity of influence on the electrochromic properties will be studied in detail , to reveal the physics of electrochromic materials modification by dopen and nanocrystal composition, establish the relationship between ion conductivity and spectral transmittance of a solid electrolyte, and obtain large area electrochromic energy saving smart glasses. This work will provide a kind of important supporting materials for realization of zero energy consumption buildings.

建筑物高能耗是造成我国大气污染、雾霾等环境问题的重要原因之一，实现建筑节能是我国能源革命的重要组成部分。针对传统建筑节能玻璃不能实现全光谱动态调节的问题，本项目创新地提出一种基于电致调控的全光谱全固态智能节能玻璃，深入开展电致调控高效节能材料的理论设计与计算，采用溶胶凝胶方法研究ITO、FTO、WO3等纳米晶复合无定型WO3材料，探索材料的优化和可控制备技术，通过有机无机复合研究制备全固态离子传导层，集成开发电致调控智能高效节能建筑玻璃。制备出一类对可见光和近红外电致调控的纳米晶复合薄膜材料，掌握材料组分、微纳结构对电致调控性能的影响规律，揭示电致变色材料掺杂和纳米晶复合改性的物理本质，建立固态电解质离子电导率与光谱透过率的耦合关系，获得大面积电致调控智能节能玻璃，为我国零能耗建筑的实现提供一种重要的支撑材料。

建筑能耗的大部分是通过玻璃门窗散失的，目前常用的静态节能玻璃无法根据气温、光照、人体舒适度等条件变化适时调控，以最大限度节约制冷与采暖能耗。电致变色玻璃利用外加电场使材料变色，从而达到对光照的主动动态控制，具有良好的节能效果，是目前最有希望实现大规模商业化生产的节能智能玻璃。目前对电致变色材料的变色机理和着色过程中的光学常数变化仍缺乏深入的了解，电致变色材料光调制幅度小，响应时间慢等缺点也制约着电致变色技术的发展。. 研究工作以阴极电致变色材料WO3为研究对象，研究了无定形态和结晶态WO3薄膜的变色机理，并且通过纳米化以及与纳米晶复合的方法对其进行了性能改性研究，目的是改善常规WO3电致变色材料光调制幅度小，响应速度慢等问题，深入探讨了材料结构对其电致变色性能的影响规律。. 首先采用工业用廉价偏钨酸铵为原料，以简单的方法制备了WO3电致变色薄膜，通过椭圆偏振光谱研究了无定形和结晶态WO3薄膜在不同电压下的着色过程，阐释了两者电致变色机理的不同。之后使用溶剂热法合成了单分散氧化钨纳米棒，通过调控前驱体中油胺的浓度，实现了对纳米棒尺寸的调控，并且在一定温度下热处理构建了WO3纳米棒电致变色薄膜，探究出薄膜的响应时间和光调制幅度具有尺寸相关性。在130 nm薄膜厚度的情况下，WO3纳米棒薄膜在633 nm处最优光调制幅度为49%。所有样品表现出良好的循环稳定性和可逆性，尺寸差异对循环稳定性几乎没有影响。最后，分别制备了ITO@WO3和TiO2@WO3纳米晶镶嵌复合薄膜，复合薄膜中WO3为无定形态，由于纳米晶镶嵌在薄膜中形成了复合界面，为离子扩散和迁移提供了更多的路径，为电致变色反应提供了活性反应界面。与纯WO3薄膜相比，纳米晶镶嵌复合薄膜的电致变色光学调制幅度显著增强，电致变色响应速度也更快。可逆性和着色效率也同时得到提高。. 该研究工作有利于更好地理解WO3的着色机理，也为改善电致变色材料的性能提供了新的策略，为实现大面积低成本制备WO3电致变色薄膜拓展了思路。