鑽石舞台

建築能耗占社會一次能源消耗的30%，且這一比值正在逐漸增加。窗戶作為建築室內外能量交換的主要載體，是建築智能節能化中不能忽視的重要一環。傳統透明玻璃窗戶和窗簾等光熱調節裝置，因其自身局限性已不能滿足當今人們的對照明和製冷/暖的雙重動態管理要求。雙波段電致變色智能窗(DESW)是近年來發展起來的新型節能窗戶，其可以選擇性的獨立控制太陽光中的近紅外熱和可見光光的透射率，有望大幅度提高建築能效。然而，迄今為止所報道的大多數DESW都是由複雜的複合材料或者具有等離子體性質的納米晶所製成。這都需要精細設計和集成材料的組分，來分級調控智能窗的等離子體和極化子電致變色過程，從而實現陽光輻射的光/熱分區調控。進一步發展簡單便捷的高性能DESW製備技術，將有利於推動綠色節能建築的發展，助力實現「碳減排」和「碳中和」。

在本工作中，使用溶膠凝膠法合成製備多孔摻鈦氧化鎢薄膜，其中使用0和3 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)發泡劑的樣品分別記作W0和W3。圖1(a)中W0和W3薄膜的X射線粉末衍射(XRD)譜圖顯示二者均為立方氧化鎢。圖1(b)所示的W 4f的XPS光譜顯示二者內部以W6+為主，並均存在少量W5+。同時，W3膜中W5+的含量略高於W0膜，這可以解釋為PVP碳化後在退火過程中提供了還原性氣氛。圖1(c)中O 1s的XPS譜可分為羥基氧(531.2 eV)和晶格氧(530.5 eV)，其中羥基氧通常對應於晶格中的氧缺陷。W3膜中的羥基氧含量高於W0膜，說明PVP的參與使得膜中產生了更多的氧缺陷。圖1(d和e)顯示了W0和W3薄膜的表面形貌，W0為緻密薄膜而W3表面則顯示出大量的納米孔道結構。圖1(f)為W3薄膜的截面形貌，薄膜的平均厚度約為283 nm。以上結果表明，在溶膠-凝膠法製備氧化鎢薄膜時加入PVP發泡劑可以控制薄膜的微觀形貌和結構，並產生氧空位增加自由電子濃度，這有利於雙波段電致變色的實現。

圖2(a和b)顯示當施加-0.3 V偏壓時，在1200 nm處，W0和W3薄膜的光調製範圍分別為5%和65%，存在巨大差異。為了揭示薄膜在近紅外區域的電致變色機理，使用大尺寸陽離子(TBA+)電解質測量了W0和W3薄膜的光學透過率。TBA+由於體積大，難以嵌入氧化鎢晶格中，因此在整個電致變色過程中只發生了表面電容吸附電化學過程。如圖2(c)所示，與W0膜相比，W3膜具有較高的近紅外調製範圍，說明W3薄膜在變色過程中產生了更強的表面電容吸附和等離子體電致變色。圖2(d)展示了W0和W3膜的循環伏安(CV)曲線。在-0.5至-0.6 V範圍內，兩種樣品均存在明顯的氧化還原峰，對應於Li+嵌入氧化鎢晶格中其誘導了晶格極化吸收並導致可見區域的光譜調製。從CV曲線上可以看出，W3膜的電流密度高於W0膜，說明W3膜具有更高的電化學活性。圖2(e和f)顯示了不同掃描速率下W0和W3薄膜的電容貢獻和擴散控制貢獻的比值。發現在所有掃描速率下，W3膜的表面電容貢獻均高於W0膜，說明PVP的加入提高了薄膜的等離子體電致變色能力。

圖3(a)展示了W3薄膜具有優異的太陽光熱調節能力，經過計算可知，在冷(-0.3 V)模式下薄膜仍可以保證可見光區域75.8%的高光學透過率，同時阻擋67.6%的近紅外光。圖3(b和c)則顯示W3薄膜能夠快速在各個工作模式之間切換，其中亮(1.5 V)和暗(-1.0 V)模式之間切換時間分別為3.3和25 s，亮(1.5 V)和涼(-0.3 V)模式之間切換時間分別為6和2.1 s。圖3(d)顯示W3薄膜在633 nm和1200 nm處有着高達114.9和420.3 cm2 C-1的着色效率，利於進一步節能。圖3(e)顯示W3薄膜在各個工作模式下可開路工作1小時下仍能良好地繼續工作，而不需要使用外部供電來保持工作。圖3(f)顯示W3薄膜在1000次循環後，仍能夠保持雙波段選擇特性，有着良好的循環穩定性。

圖3. (a) W3薄膜在亮(1.5 V)、涼(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下的太陽輻照度譜圖。(b、c) W3薄膜在1.5 V/-1.0 V偏壓下633 nm處和1.5 V/-0.3 V偏壓下1200 nm處的實時透射光譜。(d)W3薄膜在 633 nm和1200 nm處的着色效率。(e) W3薄膜在亮(1.5 V)、涼(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下保持開路1 h內633 nm和1200 nm處透光率的變化。(f)循環1000次前後，W3薄在亮(1.5 V)、涼(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下光學透光率變化。

基於上述W3薄膜製備了一個5×5 cm2 的FTO/LiClO4/W3薄膜/FTO結構器件，用於演示其雙波段調製能力。圖4(a)展示了器件在不同工作電壓下的光學透過率，其表現出了與薄膜相似的雙波段電致變色現象。當偏壓達到3.5 V、-3.5 V和-4.0 V左右時，器件切換到「亮」、「涼」和「暗」工作模式，對應的照片如圖5(b-d)所示。需要特別指出的是，由於缺乏離子存儲層，器件的工作電壓高於對應的薄膜。為了直觀地展示陽光的雙波段電致變色調製，我們拍攝了近紅外光源下器件在「亮」、「涼」和「暗」模式下的數碼照片，如圖5(e-g)所示。可以觀察到，與器件在「亮」模式下的透明狀態相比，器件在「涼」和「暗」模式下遮擋了大部分近紅外光，呈現出黑色狀態。圖5(h)所示的裝置用來模擬器件對室內溫度的調製。上面是一個AM 1.5太陽光模擬器，中間是一個被DESW完全覆蓋的3×3 cm2孔的板，底部是黑色紡織物。當太陽模擬器打開時，光線將穿過DESW和洞，照射在下面的黑色吸熱紡織物上。由圖5(i-k)可知，當AM 1.5太陽光模擬器照射相同時間時，黑色紡織物在器件的「亮」、「涼」和「暗」模式下的溫度分別為48.4、28.0和24.6 ℃。這些均表明該器件擁有這良好的太陽光熱獨立動態調製能力。

圖4. (a)器件在不同電壓(3.5 V至-4.0 V)下的光學透過率。在自然光下，器件處於亮(b)、冷(c)和暗(d)模式下的數碼照片。在近紅外光下，器件處於亮(e)，涼(f)和暗(g)模式下的數碼照片。(h)太陽照射建築室內的模擬裝置。在AM 1.5太陽光模擬器照射同樣時間後，器件處於亮(i)、涼(j)和暗(k)模式下的紅外熱成像圖及對應溫度。

作者報道了一種簡單有效的溶膠-凝膠策略，使用發泡劑製備多孔摻鈦氧化鎢薄膜，以實現雙波段電致變色的高性能。研究發現，在薄膜製備過程中引入發泡劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可提高薄膜的比表面積和自由載流子濃度，增強薄膜對近紅外電致變色的獨立調節能力。同時，微量Ti4+的引入避免了氧化鎢在電致變色過程中的反覆晶格畸變，提高了氧化鎢的穩定性。最優薄膜顯示出了優異的雙波段電致變色性能，包括高的光調製，高的着色效率，快的響應時間，良好的雙穩態以及循環穩定性。此外，由溶膠-凝膠薄膜製作的雙波段電致變色器件也驗證了其對太陽光中光和熱的有效管控。與傳統要求苛刻、繁瑣複雜的合成製備工藝相比，該研究中報道的方法在高性能雙波段電致變色中展現了巨大的競爭力，有利於節能建築的快速發展。

孟前程，廣西大學碩士研究生。主要研究方向為分區電致變色智能窗。

曹盛，廣西大學副教授，廣西傑出青年科學基金獲得者。博士畢業於北京科技大學，在新加坡國立大學開展博士後研究工作後，受聘廣西大學工作至今。主要從事無機半導體材料的可控制備、光電性能及其在電致發光/變色器件應用中的研究。以第一/通訊作者在Joule、Light-Sci. Appl.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.等學術期刊發表論文30餘篇，其中封面論文4篇；申請發明專利12項，已授權9項；撰寫書籍Phosphor Handbook（CRC Press）中一章節。

鄒炳鎖，廣西大學教授，教育部「長江學者」特聘教授，廣西八桂學者。主要研究領域為納米尺度功能材料與器件、納米光子學與光電器件、磁性半導體與未來光電應用研究等。以第一/通訊作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Mater.等國際刊物發表論文200餘篇。獲得2010年湖南省自然科學一等獎，2018年北京市自然科學二等獎，2019年國家自然科學二等獎。

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