無機智能節能窗

陳　長, 楊　光,楊　帆,馬董云,高彥峰

(上海大學材料科學與工程學院，上海200444)

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特約專欄

無機智能節能窗

陳長, 楊光,楊帆,馬董云,高彥峰

(上海大學材料科學與工程學院，上海200444)

傳統節能窗僅對太陽能(如陽光控制型)、熱輻射(如Low-E玻璃)或者熱對流(如中空玻璃)起阻隔作用，智能節能窗則可以在特定刺激下(環境溫度、電場、氣體、光照變化等)自主調節自身光譜透反射特性，從而機敏地調整進入室內的太陽能或者熱量，實現更高效的節能。作為智能節能窗的核心，變色節能材料可分為有機和無機變色材料。相對于有機材料，無機變色材料具有抗老化性能強、變色持續時間長、熱穩定性能好等優點，是目前主要的智能節能窗材料。介紹了最常見的4種無機變色(熱致變色、電致變色、氣質變色和光致變色)材料，包括其發展歷史、節能原理或者變色機理、主要制備工藝和目前存在的問題或者研究現狀等，并就各種智能節能窗材料的發展趨勢進行了展望。

智能窗；無機材料；熱致變色；電致變色；氣致變色；光致變色

1　前　言

我國的建筑能耗已經超過社會總能耗的30%，其中空調的供暖和制冷能耗占建筑總能耗的55%[1]。現代建筑中，玻璃幕墻占建筑外立面面積的比例日益加大，據估算通過單層玻璃窗進行的熱傳遞在冬夏季節分別可達到48%和71%[2]。如果能將空調制冷溫度調高2 ℃，則制冷負荷可降低約20%；若制熱溫度調低2 ℃，則制熱負荷可降低約30%[2]。因此，低能耗的變色節能窗是建筑節能環保的基礎，其重要性日益受到重視。變色節能玻璃，即智能窗(Smart Windows)，最早由美國的Lampert和瑞典的Granqvist等人提出，它集節能、隔熱、保溫、裝飾等優點于一體，可以在交通工具和建筑物的門窗及顯示器件等領域中發揮重要作用[3, 4]。具體來說，智能窗是由玻璃等透明基材和調光材料層所組成的智能器件，在一定的條件(如溫度、電場、氣體、光照)下，其調光材料會發生化學或物理變化，改變其特定波段的太陽光的透反射特性，進而調節進入室內的光強度和/或所載熱量，降低制冷制熱能耗，實現節能的目的。這種智能玻璃克服了傳統陽光控制玻璃(Solar Control Glass)和低輻射率(Low Emissivity)玻璃的透射率不能根據需要動態調節的缺點，是更具前景的節能窗材料。

從材料性質角度，變色節能材料可分為無機變色材料和有機變色材料。相對于有機變色材料，無機變色材料具有抗老化性能強、變色持續時間長、熱穩定性能好等優點。無機變色材料中，根據激勵方式的不同，無機變色節能材料可分為熱致變色(Thermochromic)、電致變色(Electrochromic)、氣致變色(Gasochromic)和光致變色(Photochromic) 4大類。這些無機變色節能窗材料在國內外已經有大量研究[5-9]，也取得了很多重要進展。本文綜述了這4種無機變色節能窗材料的制備、變色機理和類型，并展望了其發展前景。

2　研究現狀

2.1熱致變色材料

熱致色變材料主要是指在環境溫度發生變化時，自身的光學性能隨之變化的一類材料。多以有機物為主，比如隨溫度改變自身光吸收性能的某些共軛聚合物材料[10]和隨溫度變化發生散射光變化的液晶材料[11-12]。熱致色變一詞早期在無機領域使用很少，因為當時研究主要關注溫度變化過程中可見光部分的變化，但具有這樣性能的無機材料在熱色性能方面與有機物差距較大，鮮有研究。20世紀80年代，Granqvist等提出一種新型智能窗，其原理是利用VO2材料M相和R相的可逆相變，M相和R相在近紅外波段透過率的巨大差異，可用來調控太陽光中的熱量，實現室內節能的目的(圖1)[13]。為區分以電致色變為基礎的智能窗，這種智能窗被稱為熱致色變型智能窗。雖然具有類似特性的無機材料不局限于VO2(M/R)(后面統稱為VO2)，但是就調節能力和相變溫度來說，VO2是目前最適合用于智能窗的熱致色變無機材料，熱致色變型節能窗主要指基于VO2材料的節能窗。

VO2基節能窗從功能層的結構上可以分成兩類，一類是基于VO2的純相薄膜，另一類是基于VO2納米顆粒的復合膜(圖2)。純相VO2薄膜膜厚一般在幾十至幾百納米，高于相變溫度時(R相)對近紅外部分具有比較高的反射能力；VO2納米顆粒復合膜則是將幾十到一兩百納米的VO2粒子分散在介電材料中獲得的薄膜(涂層)，厚度一般在幾微米到幾十微米，VO2材料含量在不超過50%(一般在10%左右)，高溫時對近紅外主要表現為吸收。

不同類別的薄膜制備工藝不一樣。VO2薄膜型通常采用化學氣相沉積[14]，磁控濺射[15-16]，溶膠凝膠法[17]或者聚合物輔助沉積[18]等方法直接制備或者鍍膜后再退火處理獲得，制備或者退火溫度一般在400 ℃以上。因為釩存在大量中間態氧化物(化合價從+2至+5)，VO2薄膜制備條件通常比較苛刻。制備方法中，磁控濺射法是最廣泛使用的高質量VO2薄膜材料的制備方法，其按電源種類可分為直流磁控濺射和射頻磁控濺射。直流磁控濺射通常使用金屬釩靶，射頻磁控濺射則可使用氧化物靶材(以五氧化二釩靶為主，近年也有直接使用二氧化釩靶材的報道，但受限于靶材制備工藝，該方法還未成為主流)。濺射過程中加熱基板，直接合成VO2薄膜的工藝對于設備要求比較高，因此文獻報道的VO2薄膜多采用預濺射前軀體薄膜后再高溫退火處理獲得。在濺射過程中，需要精確控制濺射氣氛和濺射速率來控制前軀體薄膜的化學計量比，以保證退火后獲得M/R相VO2。

圖1　相變前后典型的VO2光譜曲線(a)，其在可見光波段的透過率幾乎不發生變化，而在近紅外波段透過率則有比較大變化；利用這一性能制備的節能窗(b)在氣溫較低時可以允許太陽光中的紅外光進入室內，增加室內溫度，而在氣溫較高時，則阻擋紅外光的進入，節省室內制冷能耗Fig.1　A typical transmittance of VO2 film below and above phase transition temperature (a) and the mechanism of VO2-based TCW (b): VO2 film shows different transmittance in infrared waveband. Infrared waveband is the source of solar heat, thus, the solar heat entering room can be regulated by VO2 film by responding to room temperature change

圖2　VO2膜結構示意圖：(a)VO2純相薄膜，(b)VO2納米復合膜Fig.2　Schemes of VO2based smart layers: (a) pure VO2thin films, (b) VO2-based nanocomposite coating

化學氣相沉積在工業大面積鍍膜方面具有很大潛力，因為其可以復合進入浮法玻璃生產線。該方法所需要解決的兩個問題，一個是如何采用廉價原料降低生產成本，

另一個是如何獲得大面積均勻的薄膜[19]。

溶膠凝膠法和聚合物輔助沉積方法均屬于液相法，溶膠凝膠法通常使用釩的金屬醇鹽或者氧化物為前軀體，由于其成本較高，大多含有五價釩離子，因此應用受限。聚合物輔助沉積法是一種類似溶膠凝膠的方法，所不同的是，其采用具有成膜特性的聚合物(如PVP)作為骨架，通過聚合物表面基團吸附溶液中釩離子獲得一層含釩的前軀體膜，然后退火得到VO2薄膜[18]。由于前軀體毒性可以通過使用低價釩鹽(如四價VOCl2)來避免，而四價釩鹽在退火過程中對氣氛要求也較低，因此與溶膠凝膠法相比，實際應用價值更高。目前已有采用該方法制備大尺寸VO2的報道[5]。幾種制備方法的優缺點比較見表1。

表1　3種VO2薄膜制備工藝比較

相對于純相薄膜，VO2納米復合膜制備工作開展較晚，主要是因為早期對于其納米粉體的應用研究較少。隨著VO2節能窗受到越來越多的關注，研究者發現VO2納米粉為基礎的納米顆粒復合膜具有更優良的光學性能，高質量的VO2納米粉體合成工藝才為研究者所關注。合成VO2納米粉體的方法涉及水熱法[20]，熱分解[21]，熱還原法[22]，水熱-熱處理兩步法[23]，化學氣相生長法[24]等，但是就粉體質量來說，目前最好的是水熱法。該方法合成的VO2納米粉體晶粒尺寸大約在20～40 nm，且能保持極高結晶度[25]。

除了合成方面的研究外，基于VO2材料的熱色智能窗在初期的實際應用研究中主要集中在下面幾個方面，即相變溫度調控，太陽能調節效率和可見光透過率的提升，顏色問題以及耐候性提升。研究最多的是太陽能調節效率和可見光透過率的提升，其中以納米復合膜性能最佳，但進一步的提升空間越來越小[25]。其他方面，相變溫度的調控通過摻鎢可以基本解決，顏色方面則有通過摻雜[26]改變吸收邊或者顏色復合[27]的報道，耐候性則有包覆等方法[28-30]等。2012年，本課題組和國內企業合作研制了國際首款寬幅VO2節能貼膜，目前該產品已實現產業化。隨著在應用上的深入，相變性能的調控，太陽能利用率的整體提升(包括節能發電-體化)以及大面積低成本制備工藝的開發這幾個問題也逐漸受到研究者關注[55]。

2.2電致變色材料

電致變色現象是指在電流或電場作用下，材料發生可逆的變色現象。在上世紀30年代科學家就發現了電致變色現象，但直到20世紀60年代，美國哥倫比亞大學的Platt J R在研究有機染料時正式提出了電致變色這一概念[31]，電致變色現象才引起了人們的廣泛關注。20世紀70年代初期Deb發現了WO3和MoO3在室溫下的電致變色效應[32]，并首次用無定型WO3薄膜制作了電致變色器件，提出了“氧空位理論”[33]，從而加速了材料電致變色效應的研究。后來人們陸續發現了NiO、TiO2、Nb2O5等許多過渡金屬氧化物同樣具有電致變色性質，并意識到電致變色現象獨特的優點和潛在的應用前景，出現了大量的有關電致變色機理和無機變色材料的報道。電致變色材料按材料類型同樣可分為無機電致變色材料和有機電致變色材料兩大類。有機電致變色材料一般色彩豐富，易于進行分子設計，經過小分子摻雜后顯示出很高的導電性和電致變色現象；無機電致變色材料一般具有著色效率高、響應時間快、電化學可逆性好、化學穩定性好、成本低等特點，其光吸收變化是由于離子和電子的雙注入和雙抽出而引起的。

電致變色器件以電致變色層為基礎，其基本結構是由玻璃或透明襯底、透明導電層、電致變色層、離子導體層以及離子儲存層等多層薄膜組合而成，如圖3所示。

圖3　電致變色器件的基本結構示意圖Fig. 3　Scheme of the electrochromic device

電致變色器件的工作原理為：在兩個透明導電層之間加上一定的電壓，在外加電壓作用下，電子和離子共同注入電致變色層，并使其發生氧化還原的電化學反應而著色，離子存儲層在電致變色材料發生氧化還原反應時起到儲存相應的反離子，保持整個體系電荷平衡的作用。當施加反向電壓時，電子和離子從著色的電致變色層內抽出而使其褪色。

目前WO3、NiO等無機電致變色薄膜所采用的制備方法幾乎包括了所有的薄膜制備技術：濺射法、溶膠凝膠法、電化學沉積法、陽極氧化法、化學沉積法等。制備方法直接影響到薄膜的形貌、結構、化學配比等，進而影響到薄膜的電致變色性能，如著色效率、電致變色響應時間、循環壽命等。下面將介紹3種常用電致變色薄膜的制備方法：

(1)濺射法濺射法是用高能量惰性氣體離子轟擊金屬或金屬氧化物靶材表面，使得靶材表面的原子和原子簇以離子形態被剝離出來并沉積于基底表面形成薄膜。屬于物理氣相沉積的一種。濺射法的優點包括：制備參數易控制、沉積速率高、所得薄膜厚度均勻、薄膜與基體的附著力強等。Tu等人[34]以金屬鎢為靶材通過直流濺射法制備了大孔的WO3薄膜。這種多孔結構有利于離子的嵌入和脫出反應，其著色和褪色時間分別為18.6和10秒，且具有良好的循環穩定性。但由于該法對制備條件要求高，工藝較復雜，成本較高，不宜實行大規模生產。

(2)溶膠凝膠法溶膠凝膠法采用金屬或金屬鹽來制備前驅體溶膠，再經旋涂、提拉、浸漬等方法在透明導電基底上成膜，最后經熱處理后得到電致變色薄。由于金屬有機醇鹽成本比較高，目前大多數是以金屬或其無機鹽為原料來制備金屬氧化物電致變色薄膜。Deepa等人[35]將金屬鎢粉溶于雙氧水得到前驅體溶膠，然后通過溶膠凝膠法制備了無定形的WO3薄膜，并研究了薄膜厚度與電致變色性能之間的關系，當薄膜厚度為250 nm時，薄膜具有良好的變色性能，其著色效率可達到81 cm2/C。Kattouf等人[36]以WCl6為原料，通過溶膠凝膠法制備了介孔的WO3電致變色薄膜。薄膜中的納米尺度和微米尺度的孔結構有利于離子的嵌入和脫嵌，因此，獲得了較快的電致變色響應速度，其著色和褪色時間分別為4.7和5.2秒。Park等人[37]以醋酸鎳為鎳源，以水和二甲氨乙醇為溶劑采用溶膠凝膠法制備了NiO薄膜。該薄膜具有良好的電致變色性能，其著色效率可以達到58.4 cm2/C，循環壽命高達10000次，光調節范圍為63.8%。

(3)電化學沉積法電化學沉積法制備電致變色薄膜，一般是將金屬鹽(硫酸鎳、硝酸鎳等)或金屬氧化物(氧化鎢)溶于水或其它溶劑中得到沉積液，同時可以加入表面活性劑來控制形貌，以透明導電基底為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極或Ag/AgCl電極為參比電極進行電沉積，然后經熱處理得到電致變色薄膜[38]。Dalavi等人[39]以硫酸鎳為鎳源，同時加入不同有機表面活性劑制備了納米結構的NiO薄膜。研究發現，在存在表面活性劑的情況下所得到的NiO薄膜具有更好的電致變色性能，且加入不同表面活性劑，所得NiO薄膜的電致變色性能也有不同。其中加入SDS所得到NiO薄膜的電致變色性能較好，其光調制幅度為58%，著色效率為54 cm2/C。

金屬氧化物電致變色薄膜的顏色變化來源于離子和電子的雙注入和抽出反應，因此變色時間受離子遷移速度的控制。目前有效的手段是通過微觀結構的調控來縮短離子擴散路徑和增加電化學反應的活性比表面，從而縮短其電致變色響應時間。Dalavi等人[40]采用化學浴沉積法制備了多孔的由納米片自組裝的類蒲公英的球形花狀結構NiO薄膜。這種多孔結構有利于離子的遷移，因此具有較快的電致變色效應速度(著色和褪色時間分別為5.8和4.4秒)。Yuan等人[41]采用PS模板輔助的電化學沉積法制備了多孔的NiO薄膜。無PS模板的情況下得到的是致密的NiO薄膜。與致密的NiO薄膜相比，定向排列多孔的NiO薄膜具有更快的電致變色效應速度，其著色時間僅為3秒。

眾所周知，金屬氧化物電致變色材料主要用于調節可見光的透過率。首先，對于單一氧化物而言，其調節能力主要取決于變色前后的顏色對比度，如二氧化鈦，其顏色只可在透明和淺藍色之間可逆變化，顏色對比度不大，可見光中著色效率很低，因此不宜作為主要電致變色材料，常常與其他材料搭配使用。Reyes-Gil等[42]在TiO2納米管上電沉積一層WO3得到了TiO2-WO3薄膜(如圖4)，顯示出優于WO3薄膜和TiO2納米管陣列薄膜的電致變色性能。其次，金屬氧化物依據變色方式不同又可以分為陰極和陽極著色兩種，兩者同時使用時可以組成互補型的電致變色智能窗。Ma等人[43]將WO3薄膜(陰極著色)和NiO薄膜(陽極著色)分別作為變色層和離子存儲層組裝了WO3/NiO互補型器件，其在550 nm處的光調制范圍可達73.2%，較單獨的WO3納米片薄膜和NiO微米片薄膜性能明顯提升，這是由于NiO在器件中除了作為離子存儲層外，還起到了互補變色層的作用，對器件整體可見光調控效率起到了巨大的提升。

圖4　TiO2-WO3互補型電致變色薄膜(a)及其光譜示意圖(b)[42]Fig.4　Scheme of the TiO2-WO3 complementary electrochromic film (a) and optical transmittance spectra for TiO2-WO3, WO3 and TiO2 (b)[42]

電致變色材料仍然是目前智能窗材料中實際應用最廣泛的一種，其中尤以WO3和NiO等無機金屬氧化物的研究最為充分。從應用角度看，電致變色材料的應用難點還是在于其結構中液體電解質帶來的不穩定性和大面積變色薄膜的變色電壓過大，變色時間過長等帶來的實際問題。為此，需要解決以下問題：①微孔、微球等微結構材料的大面積制備；②固態電解質的研究與制備；③器件整體的組裝及服役穩定性的提升。

2.3氣致變色材料

氣致變色與電致變色類似，這個過程涉及到電致變色元件(變色材料，如WO3)和氧化還原氣體(一般是氧氣和氫氣)的相互作用，產生可逆的顏色改變。與電致變色器件相比，氣致變色器件具有結構簡單、影響因素少、光學調節范圍更廣、易于大面積生產、器件使用中無能耗等優點[44]。一般采用磁控濺射法和溶膠凝膠法制備WO3薄膜。德國的Georg等人采用WO3薄膜和幾納米厚度的Pt顆粒層，制備出達到商業化標準的氣致變色窗器件，并成功應用于建筑物的窗口[8, 45]。但是氣致變色機理依然不清楚，主要有以下3種：

第一，雙注入模型：H2被吸附到催化劑Pt顆粒表面，被分解成H原子或H+離子，然后氫原子轉移到WO3薄膜表面并注入到薄膜里面，引起薄膜著色，如公式(1)；同樣，O2吸附在催化劑表面解離成化學活性很強的O原子或O2-離子, 隨后轉移到WO3薄膜表面，把薄膜內的H+吸出并與之生成水分子，水分子離開WO3表面，使薄膜褪色，如公式(2)[46]。但是該模型沒有涉及到氧空位(VO)的出現，也不能圓滿解釋薄膜在著色時對可見光的吸收加強的現象。

(1)

(2)

第二，Georg等人提出了色心模型[45]，如公式(3)和(4)。其具體的薄膜著色過程如下：①氫氣在催化劑(如Pt或Pd等)上吸附并解離成氫原子，②氫原子傳到WO3表面生成W-O-H，③氫原子沿著WO3孔內壁擴散，④擴散過程中生成W-O-H2，并生成WO2+H2O+VO，⑤VO在WO3薄膜中擴散，⑥H2O脫離WO3薄膜；褪色過程：①O2分子在催化劑顆粒表面解離成O原子，②O原子轉移到WO3薄膜表面和③WO3薄膜中，④填充表面VO和⑤薄膜內部空位。但是至今沒有在試驗中觀測到色心的存在，所以沒有直接的實驗支持該模型，卻乏足夠的理論依據。

(3)

(4)

第三，Luo等人在色心模型的基礎上提出結構水分子模型[47]，著色過程強調：結構水生成后，雖然在熱擾動或光照下易脫離原來的位置而形成VO，但常溫下結構水仍保留在晶格內，同時注入到VO的電子引起空位周圍的W價態降低(W6+W5+)；而褪色過程則強調：氧原子吸附VO上附近施主能級上電子，VO附近的W價態升高(W5+W6+)，這使得臨近的結構水分解成H+離子和O2-離子，前者擴散到薄膜表面與表面吸附的O2-離子生成水分子并脫離表面，后者則填補了VO，使材料發生褪色。所以WO3薄膜的變色過程可以表示為式(5)和(6)。但是結構水分子模型仍缺少對色心與結構水的直接實驗檢測證明與足夠的理論依據。

(5)

(6)

此外，合金型材料(如MgNi)也是氣致變色和電致變色智能窗的候選材料之一。其工作原理：利用MgNi在Pd催化下氫化生成透可見光相(Mg2NiH4和MgH2)和脫氫反應生成高反射金屬相的可逆化學變化性能，調節進入室內的太陽光強度，降低制冷制熱能耗，實現節能的目的[48, 49]。

雖然無機氣致變色材料與潛在應用的日益接近，但也存在如下問題有待解決：①尋找開發相對廉價無機氣致變色材料及器件制備成本；②由于WO3薄膜變色機理還不統一，對氣致變色機理還需進一步探討；③研究WO3薄膜氣致變色效率與催化劑類型及其含量之間的聯系，確定最佳催化劑及其最佳含量；④建立WO3薄膜制備方法、薄膜結構、催化劑、保存條件與毒化的關聯機制，以制備出長期穩定的變色節能薄膜。

2.4光致變色材料

光致變色材料是指某些化合物A受到一定波長和強度的光照射時其分子結構會發生變化生成化合物B，從而導致其對光的吸收峰值即顏色的相應改變，且這種改變一般是可逆的。第一個無機光致變色材料的成功商業應用始于20世紀60年代，美國康寧公司的Amistead和Stooky首先發現了含鹵化銀玻璃的可逆光致變色性能并用于變色眼鏡，其機理是金屬離子變價。雖然可以通過離子交換法、反應濺射法和真空沉積法制備光致變色玻璃薄膜，但其較高的成本與復雜的生產技術，限制了其在建筑領域中制作大面積光色玻璃應用。另外，過渡金屬氧化物，如WO3、MoO3、TiO2等都是重要的無機變色材料。以半導體材料WO3為例，其變色機理①是Faughnan的雙電荷注入/抽出模型[50]：在光照下價帶電子被激發到導帶中，產生光生電子空穴對和光生電子，后者被W6+捕獲生成W5+，同時材料中還原物質，生成H+，注入到薄膜內部，與前者結合生成深藍色的鎢青銅

HxWO3；其機理②是Schirmer的小極化子模型[51]：兩個不等價的鎢離子之間的極化子躍遷所產生吸收光譜，即注入電子被限制在W5+位置上，并對其周圍的晶格產生極化作用和形成小極化子。由于上述變化不會引起材料晶體結構的破壞，因此無機光致變色材料具有穩定性好、成本低等優點，但其光致變色效率較低。針對光致變色材料效率低的問題，前人已通過溶膠-凝膠法制備了WO3/ZnO、MoO3/TiO2和WO3/TiO2等復合材料用于光致變色鍍膜玻璃，將光致變色效率提高了數百倍，并預測WO3/TiO2材料具有可被應用于光致變色節能窗上的潛力[52-54]。

但是迄今為止，沒有這類光致變色玻璃產品，其主要原因有以下3點：①生產成本太高(實現低成本大塊節能窗材料)；②褪色響應速度太慢(需要數分鐘至數小時)；③光致變色效率有待進一步提高。

總的來說，幾種無機節能窗各有特點，所受關注程度也不盡相同。如表2所示，其中電致色變相對研究實驗比較長，氣致色變隨后，兩者在21世紀初已經有概念產品推出。但是由于他們結構比較復雜，生產成本較高，多年來未能得到廣泛應用。而光致色變材料雖然結構相對簡單，但是節能潛力不明顯。VO2熱致色變材料在近年來才為多數研究工作者關注，由于其結構簡單，制備成本低，相應速度快以及不影響視覺效果等原因，被認為是非常有潛力的節能窗材料。但是總的來說，各種節能窗材料都不夠完美。從光譜上來看，電致色變和光致色變型節能窗多為吸收型節能窗，存在二次輻射，對太陽能的阻隔效果不理想，即使熱致色變型節能窗也存在一定吸收(薄膜型為半吸收型，納米復合膜為吸收型)，因此總的來說節能效果不高。氣致變色中雖然有反射型節能窗，具有高的太陽能阻隔能力，但是嚴重影響可見光透過率，不利于室內采光。因此在提升節能窗材料本身調控能力的同時，也需要對智能窗結構進行設計，比如引入低輻射材料，降低其發射率，提升隔熱效果；與光電或者熱電材料相結合，提升太陽能利用效率等方式。

表2　4種無機節能窗比較

3　結　語

無機變色節能窗材料的應用正處于迅速發展階段，目前無機變色節能窗材料的研究雖然取得了一定成果，但是我國仍處于研發階段，有待進一步加強如穩定性研究、實用商品化課題、新體系新品種的無機變色材料拓展開發等。總結前面的研究成果，今后的研究應該主要側重于以下幾個方面:

(1)無機熱致變色材料主要應用于建筑和車船飛機的窗戶上，目前已經有VO2產品問世，但是在可見光透過率、太陽能調節能力和耐候性提升方面還需要進一步的工作，而隨著應用化產生的大批量低成本制備，耐候性問題也逐漸變得重要。

(2)在無機電致變色材料中，雖然圣戈班-SAGE公司、旭硝子公司和Gentex公司已經實現了建筑、汽車和飛機電致變色窗的產品，但是其成本太高，使其在民用上受到較大限制。為此，實現WO3和NiO材料器件成本的廉價化是電致變色玻璃材料的迫切問題。

(3)雖然氣致變色玻璃器件的系統結構簡單，但是其在實際使用的成本仍相對較高，因此，需要以降低變色器件成本為基礎，提高性能，延長壽命和加快響應速度。MgNi節能窗可能最接近實用。

(4)由于技術和成本等原因限制，光致變色窗材料目前仍僅限于眼鏡行業。故開發低成本且大規格的光致變色玻璃與薄膜材料將成為此類材料的研究重點。

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(編輯蓋少飛)

Smart Energy-Saving Windows Using Inorganic Materials

CHEN Zhang, YANG Guang, YANG Fan, MA Dongyun, GAO Yanfeng

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Traditional energy-saving windows work just by blocking solar energy (solar control coated glass), thermal radiation (Low-E glass) or thermal convection (hollow glass), while smart energy-saving windows could change their optical performances under a given stimulus such as temperature, electrical filed, gas, and light irradiation, etc, which would endue them the ability to control the heat entering house, bringing higher energy-saving efficiency. Chromic materials are the core of smart energy-saving windows, including organic and inorganic materials. Compared to organic ones, inorganic chromic materials show advantages in age resistance, stability metachrosis and thermal stability, are the main materials of current smart energy-saving windows. This paper reviews the research progress of four sorts of inorganic materials (thermochromic, electricochromic, gasochromic and photochromic), including their development, preparation technology, mechanism of discoloration or energy-saving, current problem, and their future developments are prospected.

smart window；inorganic material；thermochromic；electrochromic；gasochromic；photochromic

2015-09-08

科技部“863”(2014AA032802)；國家自然科學基金(杰出青年基金51325203)；上海市科委“優秀學術帶頭人項目”(15XD1501700)

陳長，男，1985年生，博士后

高彥峰，男，1970年生，教授，博士生導師，

Email：yfgao@shu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.08.03

O614.51； O614.61

A

1674-3962(2016)08-0577-08