二氧化釩（VO2）是很有前景的智能窗材料，當(dāng)屋子冷的時(shí)候，窗戶會(huì)變得透明，可見光和紅外線進(jìn)來加熱；當(dāng)屋子的溫度上升后，窗戶就會(huì)自動(dòng)反射紅外線以阻擋熱量進(jìn)入。

對于智能窗來說，“智能”無疑是其中最為關(guān)鍵的部分，如何更加精確感知溫度的變化，調(diào)節(jié)二氧化釩光能的透過，這是科學(xué)家非常關(guān)注的問題。經(jīng)過不斷嘗試，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，往二氧化釩中加入氫原子可以驅(qū)動(dòng)它在絕緣體和導(dǎo)體的狀態(tài)變化，帶來光能透過的變化，從而起到智能控制室內(nèi)溫度的效果。

然而，這個(gè)方法的實(shí)際制備成本卻非常高昂。這是因?yàn)闅湓拥募尤胄枰诟邷貤l件下用鉑或金等貴金屬來催化產(chǎn)生氫原子，然后再進(jìn)行高能量的氫原子注入。而且，理論上二氧化釩的狀態(tài)轉(zhuǎn)變僅能夠調(diào)控紅外光透射率的15%以下，可見光的透射率也少于60%，并不能完全滿足實(shí)際需求。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒崇文副教授與江俊教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，就解決了這個(gè)問題。他們利用所發(fā)展的質(zhì)子-電子共摻雜策略，把酸的“腐蝕”效果巧妙地變成了往二氧化釩中加入氫原子的驅(qū)動(dòng)力，獲得了非常廉價(jià)的智能窗材料，還打破了傳統(tǒng)二氧化釩材料的光學(xué)透過率調(diào)控的理論極限。

科研人員發(fā)明了一種“質(zhì)子-電子共摻雜”的策略，可以利用廉價(jià)的酸溶液里面的質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)低成本和低能耗的“化腐蝕為加氫”的效果。質(zhì)子是帶有正電荷的氫原子，是便宜的氫原子來源，而問題在于正電荷會(huì)破壞二氧化釩材料的結(jié)構(gòu)，造成腐蝕后果。

他們基于理論預(yù)測，發(fā)現(xiàn)可以先把電子注入到二氧化釩材料中，這樣帶正電的質(zhì)子非但不會(huì)腐蝕已經(jīng)積累了負(fù)電荷的材料，反而會(huì)在正負(fù)電荷吸引的驅(qū)動(dòng)下穿透進(jìn)入材料，搖身一變形成加了氫原子的抗腐蝕“鎧甲”。而且理論研究也發(fā)現(xiàn)，不同濃度氫原子的進(jìn)入會(huì)讓材料的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從絕緣體突變?yōu)閷?dǎo)體甚至形成另一種新的絕緣體。

他們因此發(fā)展了電場調(diào)節(jié)的技術(shù)，根據(jù)計(jì)算獲得的加入不同濃度氫原子的能量要求，以不同的電壓驅(qū)動(dòng)材料加氫。最終他們成功開發(fā)了一種在室溫下利用固態(tài)電解質(zhì)施加很低的正反向偏壓就能夠可逆的調(diào)控加氫濃度的二氧化釩材料，它對太陽光譜中紅外光的調(diào)制能力達(dá)到了26.5%，并且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)70%以上的可見光透過率。

這一結(jié)果與以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的商用產(chǎn)品和前人結(jié)果相比，表現(xiàn)較為突出，突破了傳統(tǒng)二氧化釩溫控智能窗紅外調(diào)控能力的理論極限。

圖 電壓驅(qū)動(dòng)不同濃度的氫加入二氧化釩，低成本制備獲得高性能智能窗材料

通過這項(xiàng)研究，他們實(shí)現(xiàn)了一種極低能耗和低成本的氧化物半導(dǎo)體材料加氫策略，對功能材料的改性優(yōu)化具有重要意義。所開發(fā)的高性能二氧化釩智能窗材料，既能夠大范圍調(diào)控光能透過性，又能滿足室內(nèi)采光要求，而且其低成本的優(yōu)勢也大幅度提高了“智能窗”應(yīng)用可能性。

該成果以《門電壓調(diào)控二氧化釩相變實(shí)現(xiàn)高性能智能窗》（Gate-controlled VO2 phase transition for high-performance smart windows）為題發(fā)表在科學(xué)子刊《科學(xué)—進(jìn)展》（Science Advances, 5, eaav6815, 2019）上。

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)