北航黄建媚最新AM：具备分钟级室温切换和长循环稳定性的热致变色无机钙钛矿智能窗

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-27 07:50

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建筑物是能源消耗的主要源头之一，占总能耗的40%以上，而窗户作为建筑物的重要组成部分，其能耗问题尤为突出。为了在不降低热舒适性的前提下减少能源消耗，智能窗户的研发显得尤为重要。智能窗户能够响应外部刺激自动改变其透明度/颜色，从而有效控制进入室内的太阳辐射。近年来，卤化钙钛矿材料由于其优异的光学特性，可作为智能窗户的光电材料，受到了广泛关注。然而，有机-无机杂化钙钛矿MAPbX₃存在转变温度高、循环稳定性和热稳定性差等问题。

为了克服MAPbX₃以上的局限性，北航黄建媚教授团队选择全无机卤族钙钛矿作为智能窗户的光学材料，利用二甲基亚砜（DMSO）蒸气作为诱导剂，在室温下实现着色相和透明相之间的快速可逆切换。为了获得具有不同光学性能和转变性能的钙钛矿智能窗，通过合金化制备了红色CsPbIBr₂、黄色 Rb_0.5Cs_0.5PbIBr₂和棕色CsSn_0.1Pb_0.9IBr₂钙钛矿材料。以上三种颜色的钙钛矿材料可在27.4–34.3°C下在1.9–5.1分钟内呈现完全可逆地切换。即使经过100次的变色循环，它们仍保持有高于97.4%的透光率稳定性和97.6%的转变时间稳定性。实验表征证明，着色三维钙钛矿相与透明零维钙钛矿相之间可以发生完全可逆地转变。此外，在空气温度为21.6–26.5°C的现场测试中，装有钙钛矿智能窗的模型屋的室内温度最大可下降4.2°C。并且，当模型屋对照组在太阳光模拟器下时的温度为60°C时，装有钙钛矿智能窗的模型屋表现出最高可达7.9°C的温度调节能力。与此同时，20天后钙钛矿智能窗的光透射率仅降低2.9%，这表明DMSO诱导的全无机钙钛矿智能窗具有出色的长期稳定性。

这项研究为制备突出的转变性能和长循环稳定性的钙钛矿智能窗提供了新的思路，以题为“Minute-Level Room-TemperatureSwitching and Long Cycle Stability of Thermochromic Inorganic Perovskite Smart Windows”的论文发表在《Advanced Materials》上。

图1. 热致变色全无机钙钛矿的设计与光学性能测试。(a) 钙钛矿在着色相和透明相之间转换的示意图。(b) 三种颜色的钙钛矿在100次循环中的着色相的光学图像。(c) 三种颜色的钙钛矿在初始状态下着色相和透明相的透光率曲线。(d) 三种颜色的钙钛矿在100次循环后着色相和透明相的透光率曲线。(e) 三种颜色的钙钛矿在100次循环中着色相和透明相的透光率。(f) 三种颜色的钙钛矿的太阳光调节能力和光透过率测试。

图2. 热致变色全无机钙钛矿的变色性能测试。(a) 三种颜色的钙钛矿在初始状态下着色相的X射线衍射图谱。(b) 三种颜色的钙钛矿在100次循环后着色相的X射线衍射图谱。(c) 三种颜色的钙钛矿的透明相（虚线）和着色相（实线）的光致发光光谱。(d) 钙钛矿材料的容忍因子与变色时间的拟合曲线。(e) 三种颜色的钙钛矿在100次循环中的变色时间。(f) 三维CsPbIBr₂钙钛矿着色相在初始状态、一次循环后和十次循环后的扫描电子显微镜图像，以及零维Cs₄PbI₂Br₄钙钛矿透明相的相应图像。(g) 三维CsPbIBr₂钙钛矿着色相在初始状态、一次循环后和十次循环后的高分辨率透射电子显微镜图像，以及零维Cs₄PbI₂Br₄钙钛矿透明相的相应图像。

图3. 热致变色全无机钙钛矿的变色机制。(a) CsPbIBr₂的着色相、透明相以及变色后着色相的傅里叶红外光谱。(b) CsPbIBr₂的透明相的O 1s轨道的X射线光电子能谱。(c) CsPbIBr₂的透明相的S 2p轨道的X射线光电子能谱。(d) CsPbIBr₂与DMSO反应的VESTA建模图像（左侧为钙钛矿，右侧为络合物）。(e) 三种颜色的钙钛矿与DMSO之间的吸附能和变色时间。(f) 三种颜色的钙钛矿与DMSO之间的结合能。(g) 三种颜色的钙钛矿在从着色相到透明相的焓变。

图4. 热致变色全无机钙钛矿智能窗。(a) 温度测试模型示意图。(b) 三种颜色的钙钛矿着色相和透明相薄膜。(c) 着色相下的钙钛矿智能窗。(d) 透明相下的钙钛矿智能窗。(e) 钙钛矿智能窗在太阳光模拟器下测试。(f) 钙钛矿智能窗在太阳光模拟器下3小时内的温度曲线。(g) 2024年12月4日在深圳进行的24小时户外测试中模型屋的温度曲线。(h) 三种颜色的钙钛矿智能窗在20天稳定性测试后着色相和透明相的光透过率。(i) 智能窗户应用场景的模拟。

总结：本研究成功开发了一种基于无机钙钛矿的热致变色智能窗。通过引入二甲基亚砜（DMSO）作为诱导剂，实现了钙钛矿材料在室温下的快速可逆变色，并展现出卓越的循环稳定性。进一步地，通过合金化方法制备了三种不同颜色的钙钛矿材料，以满足不同应用场景的需求。这些钙钛矿材料在室温下能够在1.9至5.1分钟内完成变色，并且经过100次循环后，其透光率和变色时间的保持率均达到97.4%以上，显示出优异的循环稳定性。在模拟太阳光照射下，装有钙钛矿智能窗的模型屋表现出显著的温度调节能力，最大可达7.9°C。并且在深圳进行的户外测试中，模型屋的室内温度的降幅可达4.2°C，进一步表明其出色的温度调节能力。此外，钙钛矿智能窗在长达20天的长期稳定性测试后的透光率仅下降2.9%，表明其优异的长期稳定性。这一研究不仅为钙钛矿智能窗的实际应用提供了重要的理论支持，也为未来建筑节能技术的发展开辟了新的道路。通过进一步优化材料性能和制备工艺，钙钛矿智能窗有望在现代建筑中广泛应用，为实现绿色建筑和节能减排目标做出重要贡献。

来源：高分子科学前沿

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