中國海洋大學在節能智能窗領域取得新進展！

近日，中國海洋大學材料科學與工程學院陳經緯副教授課題組在建筑節能用新型光熱調控電致變色智能窗領域取得新進展，相關成果分別發表于國際知名學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）和ACS Energy Letters（《美國化學學會能源快報》），并在期刊Nature Reviews Clean Technology（《自然綜述·清潔技術》）發表綜述論文。

現代建筑能耗約占全球總能耗的40%，而窗戶承擔了大量建筑內外光熱交換，能效極低。動態光熱調控智能窗技術，有望實現建筑節能。在各類智能窗中，基于可逆金屬電沉積（RME）機制的電致變色智能窗具有結構簡單、中性著色可寬帶光譜調控等優勢，但其電極/電解液界面穩定性不足，對器件的沉積/剝離動力學和化學/電化學穩定性造成了一定影響，并對器件的耐候性和規模化制備等方面帶來了挑戰。研發兼具快速動力學、優異穩定性、生物兼容性及環境友好性的電解質，是推動該技術走向實際應用的關鍵。

準固態銅鋅雙金屬可逆電沉積智能窗工作機制與光熱調控示意圖

針對這些挑戰，近日，課題組聯合中國海洋大學王煥磊教授、新加坡南洋理工大學Lee Pooi See院士研究團隊設計了一種由Cu/Zn雙金屬鹽和聚丙烯酰胺網絡構成的準固態水凝膠電解質，并通過優化電解質中銅鋅比例和pH值，實現了高度可逆的CuZn沉積/剝離過程。該器件獲得了78%的透光率調制幅度、超過3000次的長循環穩定性（光學調制保持率＞90%），以及快速的著色/褪色切換速度。此外，水凝膠電解質有效抑制了水分子間強氫鍵的形成，有效提升了器件的抗凍性（-20℃），并在可回收準固態智能窗中實現了防泄漏、長記憶效應、可團案化和高效的隔熱性能，在全球不同溫區可以實現18%至33%的節能效果，展現出成本效益與耐用性。

相關論文以“Recyclable quasi-solid-state dynamic windows via reversible dual-metal electrodeposition for building energy modulation”（面向建筑能效調控的可逆雙金屬電沉積型可回收準固態動態智能窗）為題發表于《自然·通訊》，第一作者為材料科學與工程學院2023級海洋材料科學與工程專業博士研究生徐兵，中國海洋大學為第一通訊單位。

CuZn合金梯度可逆電沉積工作模式及沉積效果示意圖

課題組前期也開發了一種基于銅鋅合金梯度可逆電沉積（CuZn-RAE）的智能窗技術，利用銅離子較高的電化學還原電勢和優異的親鋅性，在銅鋅電解液中實現了銅優先形核引導后續鋅沉積的梯度沉積機制，有效降低了沉積活化能（19.2 kJ mol-1），實現了均勻的納米球狀沉積、82%的高光學調制范圍和中性著色特性，顯著提升了智能窗的響應速度、穩定性（1400次循環后透光調制保持率＞92%）和光熱調控性能。

相關論文以“Color-Neutral Smart Window Enabled by Gradient Reversible Alloy Deposition”（梯度可逆合金沉積賦能中性著色智能窗）為題發表于《美國化學學會能源快報》，該論文的第一作者是材料科學與工程學院2022級材料工程專業碩士研究生張贏心，中國海洋大學為第一通訊單位。

電致變色智能窗戶的光熱調節機制

基于在光熱調控電致變色智能窗領域的持續研究積累，課題組聯合山東大學和加拿大阿爾伯塔大學等研究團隊，全面討論了無機電致變色智能窗（ESW）的工作模式、組裝工藝和實施方法。該合作論文詳細探討了ESW能效、材料選擇、電化學過程和光熱調控性質之間的聯系，指出在無機ESW中采用雙波段調控與可逆金屬沉積技術的優勢，并強調了提高成本效益、規模化生產和長期耐久性等方面的重要性。

相關綜述論文以“Inorganic electrochromic smart windows for advancing building energy efficiency”（面向建筑能效提升的無機電致變色智能窗）為題發表于《自然綜述·清潔技術》，中國海洋大學為通訊單位。

團隊合影（第一排左三為陳經緯副教授）

上述工作得到了國家自然科學基金、山東優秀青年科學家基金項目（海外）以及中國海洋大學青年英才啟動經費等多個項目資助。陳經緯是中國海洋大學青年英才工程第二層次副教授，主要研究高效電化學儲能/節能材料及器件，包括電極/溶液界面質荷傳輸動力學調控，電致變色材料及器件光熱調控機制和多功能電致變色電池材料及器件等方向，以第一通訊作者在Nature Communications, Nature Reviews Clean Technology, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie, ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等期刊發表SCI論文40余篇。

來源 / 材料科學與工程學院

作者 / 徐兵

編輯 / 鄧雨怡

責任編輯 / 張慧 劉蒞