能實現(xiàn)建筑物的全年輻射熱管理全球百分之三?能源消耗來?建筑物，科學(xué)家制備中紅外電致變?器件

美國芝加哥大學(xué)分子工程助理教授徐伯均，是2020年《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國榜單的得主，早年曾師從著名華人科學(xué)家崔屹。

最近，他和團(tuán)隊研發(fā)出一款中紅外電致變色器件，實現(xiàn)了破紀(jì)錄的熱發(fā)射率，在2500次循環(huán)后仍能保持良好的可調(diào)性。理論上可以為溫和氣候地區(qū)的建筑物節(jié)省8.4%的供暖、通風(fēng)和空調(diào)的能耗。

建筑能源的模擬結(jié)果則表明，當(dāng)把電致變色裝置用于動態(tài)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，平均可以節(jié)省高達(dá)43.1MBtu（百萬英熱，1MBtu約為293千瓦時）的HVAC能源。

同時，可逆電沉積具備較好的非揮發(fā)性，因此與建筑物的現(xiàn)有用電量相比，前者帶來的切換能耗幾乎可以忽略不計。

這種靈活的中紅外電致變色器件，能和包括歷史建筑和新建建筑在內(nèi)的各類建筑兼容，并能透過一種非破壞性的方式來增強建筑物的能耗可持續(xù)性，可以在一年四季幫助建筑更好地控制溫度。

鑒于歷史建筑等老建筑的隔熱性能通常比較弱，同時無法通過結(jié)構(gòu)裝修來增加隔熱層。因此，此次研發(fā)的中紅外電致變色器件成為唯一可以幫助老建筑調(diào)控溫度的無損性手段，借此也能幫助建筑所在城市節(jié)省更多能源。

多年來一直深耕智能窗戶研究的新加坡南洋理工大學(xué)龍祎教授擔(dān)任相關(guān)論文的審稿人，她認(rèn)為徐伯均設(shè)計的中紅外電致變色器件，不僅在性能實現(xiàn)了新突破，還提高了能源效率，并表現(xiàn)出令人印象深刻的長期耐用性。

此前的電致變色器件很難擁有在中紅外波段的調(diào)諧能力。現(xiàn)在，徐伯均課題組使用透明導(dǎo)電石墨烯作為電極，再以銅水溶液作為電解質(zhì)，最終造出了創(chuàng)紀(jì)錄的中紅外熱發(fā)射率對比度。

另外，這款既耐用又安全的電致變色器件，也展示了概念上的進(jìn)步，并證明了將這類器件應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性。

同時，基于中紅外電致變色器件打造的電致變色熱發(fā)射率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也將輻射溫度調(diào)節(jié)的方法從靜態(tài)推進(jìn)到動態(tài)。面向熱學(xué)工程和建筑工程，基于該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計和電化學(xué)設(shè)計，也展示了一定的應(yīng)用潛力。

建筑物消耗全球30%能源，?類到底該怎么辦？

據(jù)介紹，這項研究旨在解決全球變暖和能源危機的問題。建筑物消耗全球30%的能源，全球10%的溫室氣體來自建筑物排放。因此，人類迫切需要解決建筑的能源消耗問題。

如能找到一種低能耗的方法，把建筑物的溫度常年維持在一個舒適的范圍內(nèi)，就可以大大降低空調(diào)的全年能耗。

電致變色技術(shù)，為建筑物提供了動態(tài)可調(diào)的光學(xué)特性，并賦予了建筑被動加熱或制冷的能力。

然而，大多數(shù)電致變色窗口只在可見光和近紅外波長范圍內(nèi)工作，并未被拓展到中紅外波段，這說明能源節(jié)省的潛力依舊有待挖掘。

基于中紅外/熱發(fā)射率控制的輻射溫度調(diào)節(jié)，是降低建筑物能耗的另一種方法。基于此，徐伯均才產(chǎn)生了開發(fā)這種中紅外電致變色器件的想法，以期提高建筑的節(jié)能能力。

因此，實現(xiàn)輻射溫度調(diào)節(jié)技術(shù)在中紅外波段的工作能力，是本次研究的主要難點。其間，課題組面臨的最大挑戰(zhàn)是如何制作超寬帶透明導(dǎo)電電極，尤其是如何在中紅外區(qū)域制備顏色透明的電極，以及找出可逆的金屬電沉積。

要想實現(xiàn)這些目標(biāo)，既需要合理地設(shè)計透明電極，也需要對界面上電化學(xué)做出物理性理解。還要對建筑級能源進(jìn)行嚴(yán)格的模擬，以驗證電致變色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在提高能源效率方面的適用性。

憑借先前在電化學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)方面的經(jīng)驗積累，在完成大量實驗之后，該團(tuán)隊解決了這些問題。

相關(guān)論文以《四季輻射溫度調(diào)節(jié)的動態(tài)電致變色特性》為題發(fā)表。

隋忱汐是第一作者，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程系文卡塔蘇布拉曼尼安·維斯瓦納坦和徐伯均擔(dān)任共同通訊作者。

“這個計算結(jié)果?常振奮??”

實現(xiàn)太陽光和中紅外熱輻射的動態(tài)調(diào)控，是本次課題的主要目標(biāo)。只有動態(tài)、協(xié)同地調(diào)控太陽光和中紅外熱輻射，才能最大程度地實現(xiàn)建筑節(jié)能。

雖然電能調(diào)控是最理想的方法，但是在研究早期該團(tuán)隊卻在電化學(xué)和透明電極上遇到了困難，一時間無法找出合適的電解液、以及可用的制備方法。

為此， 我們先從機械調(diào)控的方法入手，借此來演示光譜調(diào)控的概念，這也是我們在這一系列課題上的第一篇論文的來源。”徐伯均說。

而在研究里，他們通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，假如可以實現(xiàn)太陽光和中紅外熱輻射的協(xié)同性調(diào)節(jié)，就能在全年幫助建筑節(jié)省20%的能源。

他表示： “ 這個計算結(jié)果非常振奮人心， 也讓我們更有信心去推進(jìn)課題。接下來，我和學(xué)生饒云飛、隋忱汐基于大量失敗實驗的經(jīng)驗之上，通過把聚乙烯薄膜和單層石墨烯結(jié)合在一起，開發(fā)了超寬帶的透明電極。”

然后，受到美國科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊的成果啟發(fā)，本次論文第一作者隋忱汐發(fā)現(xiàn)銅基水性電解液可以很好地實現(xiàn)可逆電鍍銅，并能和透明電極結(jié)合在一起，借此可以實現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的中紅外熱發(fā)射率的調(diào)節(jié)。

于是，他們快速捕捉這個發(fā)現(xiàn)，并把它發(fā)展成可以幫助建筑調(diào)控?zé)彷椛湫再|(zhì)的器件。

徐伯均說：“我們也立即找到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的教授，幫助我們做了理論計算，以便更好地理解出色效果背后的物理原因。”

密度泛函理論的模擬結(jié)果表明，鉑對沉積的銅原子具有較高的親和力，從而能實現(xiàn)均勻的電沉積、以及較低的過電位。至此，他們基本上克服了所有的科學(xué)難題。

由于這篇論文完成于新冠疫情期間，除了攻克科研難關(guān)，當(dāng)時的徐伯均一度也曾面臨人手不足的行政困境。

他說：“在課題的研究期間我們遇上了新冠疫情， 這帶來了很多麻煩。在居家隔離期間， 實驗室的關(guān)閉、國內(nèi)訪問學(xué)者的離開，都造成了實驗室人手的短缺，學(xué)生做實驗難度愈發(fā)加大。幸而我和學(xué)生都沒有放棄，大家利用有限的資源，依然把本次課題推進(jìn)到一定高度。同時，我們的合作者——卡內(nèi)基梅隆大學(xué)維斯瓦那森教授也在理論計算上給予了充足的幫助。”

不過，將本次成果投入大規(guī)模應(yīng)用所面臨的限制是，該器件所使用一些材料例如單層石墨烯和金微電網(wǎng)，依舊存在造價昂貴、制備復(fù)雜的缺點，這阻礙了本次器件的可擴展性。此外，為了實現(xiàn)理想的節(jié)能效果，還應(yīng)考慮采用太陽能調(diào)制的方式，以便在炎熱天氣里讓白天的溫度低于環(huán)境溫度的輻射冷卻，而在冬季則能實現(xiàn)低輻射的太陽能供暖。

下一步，課題組將探索其他透明導(dǎo)電材料，是否也能用于可逆金屬電沉積的水性電解質(zhì)，并將繼續(xù)優(yōu)化器件的光學(xué)設(shè)計，以將可擴展性和節(jié)能性提升到高于傳統(tǒng)技術(shù)的水平。

另外，提升該技術(shù)在制冷模式下的表現(xiàn)，也將成為重點推進(jìn)目標(biāo)。要想達(dá)成這一愿景，需要更深入的表征和理論見解，來理解相關(guān)的化學(xué)副反應(yīng)、以及它們對于光學(xué)性質(zhì)和可逆性的影響。

同時，也需要更加深入和精確的光學(xué)設(shè)計，來進(jìn)一步降低器件的太陽光的吸收率。除此之外，也需要對電鍍過程中的界面電化學(xué)反應(yīng)有著更加清晰的認(rèn)識，只有這樣才能在提高性能的同時，擴大材料的選擇范圍。

屆時，該團(tuán)隊就能使用成本更低的材料，來推進(jìn)中紅外電致變色器件的大規(guī)模生產(chǎn)。而基于電致變色與電化學(xué)儲能以及轉(zhuǎn)換之間的相似性，他們也將采用不同的方法，力圖實現(xiàn)可再生能源和能源效率的廣泛電氣化。