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合肥研究院在二氧化钒红外调控研究中取得进展

日期:2019-09-26编辑作者:新闻资讯

新型纳米泡沫让“窗户”更节能

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米室研究人员在热致相变二氧化钒纳米材料的红外调控研究中取得新进展。通过将二氧化钒与透明导电材料复合,实现了对红外光透过率的主动和动态调控。为解决二氧化钒相变温度过高的问题提供了一种新的研究思路,将透明导电材料引入热致变色研究领域,拓展了透明导电材料的应用范围。

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二氧化钒是一种具有热致相变特性的过渡金属氧化物,低于相变温度具有半导体性质和高的红外光透过率,而高于相变温度则具有金属特性和高的红外光反射率。这一相变特性使得二氧化钒可用作智能节能窗涂层材料,通过对红外光的调控实现对室内温度的调节,进而降低建筑能耗,达到节能的目的。相变温度过高、可见光透过率低和对红外光的调控幅度小是制约二氧化钒实用化的三个关键因素。

美国能源部阿贡国家实验室的研究者们通过使用二氧化钒纳米材料,研发出具有单一窗格的窗户,从而提高了能源的利用效率,改善了商业及住宅楼单一窗格窗户的效率。前不久,该团队获得了美国能源部高级能源研究计划局310万美元的拨款,用于窗户效率提高的研究。

针对上述问题,研究人员利用透明导电材料具有高的光学透过率和优异导电导热性能,将二氧化钒纳米颗粒与ITO透明导电材料进行复合,利用外加电场下ITO产生的焦耳热诱导二氧化钒相变,实现了对红外光透过率的主动调控,通过施加交变电场实现了对红外光透过率的动态调控。该项研究成果可望在开关器件、红外防伪和红外隐身等方面获得应用。

该团队研发的纳米泡沫有着超热绝缘性和隔音性的纳米网状复合物,利用直径小于100纳米的气体泡沫来阻隔热量和声音的传递,与此同时,同普通玻璃类似,允许可见光透过。

相关研究成果以Active and dynamic infrared switching of VO2 nanoparticle film on ITO glass 为题发表在J. Mater. Chem. C, 41579)上。研究工作得到国家自然科学基金和安徽省自然科学基金项目的资助。

“在阻热和隔音的同时确保透明度确实很神奇。研发一个绝缘的涂层相对来说比较简单,但获得一个薄的、仍能可见的涂层则是相当大的技术挑战。”阿贡实验室建筑科学家Ralph Muehleisen说道。

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纳米泡沫被挤压成厚度为3毫米的片状,通过使用微小气泡起到绝热效应,以减少气体分子间的碰撞,从而减少了热能的传递。当气泡减小到很小的尺寸时,超热绝缘也成为可能。

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有大气泡的泡沫可以有类似的作用,但是这些泡沫会分散可见光,使得窗户模糊、透明度降低。这些气泡需要不大于100纳米的尺寸,分布均匀,在主机中塑造以获得相对清晰的程度。

图1. 外电场对二氧化钒红外光透过率的可控调制

根据高级能源研究计划局统计,美国不同地区的窗户中,单一窗格的窗户所占比例为30%~40%。单一窗格的窗户的导热性至少是双层窗的两倍,所以改进这些窗户可以每年减少能源消耗约120亿美元。

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这项研究建立在阿贡另一项纳米材料研究的基础之上——一种新型纳米颗粒二氧化钒涂层。这是一种相变材料,在低温下,二氧化钒是一种半导体,可同时允许近红外光和可见光通过。温度升高后,它将具有金属性能,开始阻挡近红外光,这将有利于在夏季反射太阳辐射。通过使用二氧化钒纳米颗粒,该团队研发了一种可以提高近红外阻挡性的膜,在保持可见透明性的前提下更有效地反射太阳辐射。

图2. 红外光透过率的动态变化及薄膜器件结构示意图

阿贡研究者们希望通过结合纳米泡沫和二氧化钒,他们可以研发一种单一窗格的玻璃,从而获得与多窗格低排放单元相近的效率。

《中国科学报》 (2016-06-14 第6版 前沿)

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