新加坡国立大学Lee Jim Yang教授AM: 基于氧缺陷TiO2-x纳米晶的双波段电致变色智能窗

引言

双波段电致变色智能窗是近几年兴起的一种新型电致变色智能窗，由于其能够选择性调控可见光与近红外的透光率，从而可以实现对太阳光与太阳热的智能化管理，更大幅度的降低建筑的能源消耗，优化建筑的能源效率，在现代绿色节能建筑领域具有重要的应用前景。然而双波段电致变色智能窗的发展受限于有限的双波段电致变色材料。目前可见光与近红外的选择性调控主要依赖于半导体纳米晶与传统电致变色材料的复合，然而这些复合材料的设计和制备过于复杂，严重阻碍了双波段电致变色智能窗的发展。利用单组分的电致变色材料实现对可见光与近红外的选择性调控，替代复杂的复合材料，可有效解决当前双波段电致变色智能窗所面临的的问题。因此寻求一种单组分双波段电致变色材料是当前双波段电致变色智能窗领域的发展趋势。

成果简介

近日，新加坡国立大学Lee Jim Yang 教授课题组发现具有等离子体效应的氧缺陷TiO_2-x纳米晶是一种高效的单组分双波段电致变色材料， 并且证明了引入本征氧缺陷比异质元素取代掺杂可以更加有效的提升TiO₂的双波段电致变色性能。此外，作者还报道了一种氟化物辅助制备氧缺陷TiO_2-x纳米晶的可控合成方法，实现了对TiO_2-x纳米晶的形貌、均一性、氧缺陷浓度以及LSPR性能的可控调节。优化的TiO_2-x纳米晶薄膜不但可以实现可见光与近红外的有效选择性调控，而且解决了金属掺杂TiO₂中异质掺杂金属所带来的问题。此外，丰富的氧空位不但保证了TiO_2-x纳米晶对近红外的选择性调控，而且提高了锂离子在TiO_2-x晶格中的扩散系数，改善了电致变色的响应速度。基于TiO_2-x纳米晶薄膜制备的双波段电致变色器件展现了优异的双波段电致变色性能，通过三种不同的工作模式（明亮、清凉和黑暗模式）可实现对可见光与近红外的有效独立调控，可有效降低建筑在照明与空调系统的能耗。制备的双波段电致变色智能窗同时也展现了有效的能量回收功能，可回收利用大部分着色过程中所消耗的能量，因此器件在着色和褪色过程中的能耗得到显著降低。该成果以题为“Plasmonic Oxygen Deficient TiO_2-xNanocrystals for Dual-Band Electrochromic Smart Windows with Efficient Energy Recycling”发表在国际知名期刊Advanced Materials，通讯作者为Lee Jim Yang 教授，第一作者为张圣亮博士。

图文导读

图1.制备的具有不同氧缺陷浓度的TiO_2-x纳米晶溶液的光学性能表征（吸收光谱和数码照片）。

图2. 制备的具有不同氧缺陷浓度的TiO_2-x纳米晶的形貌（TEM）和结构 (XRD) 表征。

图3. 优化的TiO_2-x纳米晶薄膜的SEM、XRD以及CV 表征

图4. TiO_2-x纳米晶薄膜的电致变色性能表征。

图5. 双波段电致变色器件的电致变色性能及能源回收性能表征。

文献链接

Zhang, S.; Cao, S.; Zhang, T.; Lee, J. Y. Plasmonic Oxygen Deficient TiO_2-xNanocrystals for Dual-Band Electrochromic Smart Windows with Efficient Energy Recycling.Advanced Materials2020, 2004686.

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202004686.

本文由作者团队供稿。