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，科學家制備中紅外電致變?器件

美國芝加哥大學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家崔屹。

最近，他和團隊研發(fā)出一款中紅外電致變色器件，實現(xiàn)了破紀錄的熱發(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、通風和空調(diào)的能耗。

建筑能源的模擬結果則表明，當把電致變色裝置用于動態(tài)建筑圍護結構時，平均可以節(jié)省高達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，同時無法通過結構裝修來增加隔熱層。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龍祎教授擔任相關論文的審稿人，她認為徐伯均設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步，并證明了將這類器件應用于建筑圍護結構的可行性。

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)推進到動態(tài)。面向熱學工程和建筑工程，基于該系統(tǒng)的光學設計和電化學設計，也展示了一定的應用潛力。

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，為建筑物提供了動態(tài)可調(diào)的光學特性，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，既需要合理地設計透明電極，也需要對界面上電化學做出物理性理解。還要對建筑級能源進行嚴格的模擬，以驗證電致變色建筑圍護結構在提高能源效率方面的適用性。

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

相關論文以《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)基梅隆大學機械工程系文卡塔蘇布拉曼尼安·維斯瓦納坦和徐伯均擔任共同通訊作者。

“這個計算結果?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。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隊卻在電化學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：“這個計算結果非常振奮人心，也讓我們更有信心去推進課題。接下來，我和學生饒云飛、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合在一起，開發(fā)了超寬帶的透明電極?！?/p>

然后，受到美國科羅拉多大學團隊的成果啟發(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，并能和透明電極結合在一起，借此可以實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的中紅外熱發(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)控熱輻射性質(zhì)的器件。

徐伯均說：“我們也立即找到卡內(nèi)基梅隆大學的教授，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?！?/p>

密度泛函理論的模擬結果表明，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，當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，實驗室的關閉、國內(nèi)訪問學者的離開，都造成了實驗室人手的短缺，學生做實驗難度愈發(fā)加大。幸而我和學生都沒有放棄，大家利用有限的資源，依然把本次課題推進到一定高度。同時，我們的合作者——卡內(nèi)基梅隆大學維斯瓦那森教授也在理論計算上給予了充足的幫助?！?/p>

不過，將本次成果投入大規(guī)模應用所面臨的限制是，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)化器件的光學設計，以將可擴展性和節(jié)能性提升到高于傳統(tǒng)技術的水平。

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

同時，也需要更加深入和精確的光學設計，來進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反應有著更加清晰的認識，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，該團隊就能使用成本更低的材料，來推進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儲能以及轉換之間的相似性，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。