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近日，上海大學高彥峰課題組和南洋理工大學龍禕課題組合作在能源領域頂級期刊Cell子刊《Joule》上發表題為「Thermochromic VO2 for Energy-efficient Smart Windows」的綜述論文，以多尺度的視角，從電子結構、原子結構、納米尺度、微米尺度、到宏觀節能效率，總結了VO2材料在智能窗上的最新研究進展。綜述內容涵蓋本徵缺陷調控、元素摻雜、應力誘導、納米複合、孔洞設計、形貌仿生、網格化、多層膜設計等。綜述最後提出了VO2的智能節能窗所面臨的挑戰。
中國建築消耗約佔社會總能耗的30%，且呈逐年增長趨勢；其中空調通風系統佔建築總能耗的約50%。通過調節進入室內的太陽光能，即在冬季增加室內太陽光照射，夏季減少室內太陽光照射，可有效地減少製冷取暖等空調系統能耗。上述需求通過玻璃實現，產生了各種節能窗技術。其中熱致變色智能窗，可以響應環境溫度自動調節太陽光紅外線的透過或反射，無需外接電源，是十分有希望的一類技術。
圖1. 建築玻璃的實際應用
二氧化釩（VO2）被認為是最前景的熱致變色材料。它可以保持可見光不變，即外觀不變，僅僅隨溫度變化調節近紅外區域太陽光透射。VO2具有可逆金屬-半導體相變特性；相變發生前後主要在近紅外波段發生重要光學特性改變，即從低於相變溫度（半導體態）的紅外透明變為高於相變溫度（金屬態）的紅外反射（圖2）。
圖2. VO2的電子密度和原子結構，圖a和圖b為半導體態，圖c和d為金屬態。
面向應用，VO2智能窗仍需突破相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率和輻射係數等的相互耦合影響的問題。這些智能窗應用方面的重要參數總是此消彼長（圖3），如何獲得整體均衡性能是重要的發展方向。
圖3.VO2的熱致變色性能(相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率)總結
這篇綜述系統總結了VO2熱致變色智能玻璃的研究進展。包括原子尺度的缺陷，摻雜，晶格力，和微納米尺度內結構（圖4）的對於其相變和光學性能的影響，討論了基於該材料的多功能智能玻璃的進展。
圖4. 微納米尺度結構設計提升VO2的熱致變色性能
儘管基於VO2的智能節能窗材料在近十年取得了顯著進步，但是未來仍然面臨許多挑戰。文章系統性地，以多尺度的視角，從電子結構、原子結構、納米尺度、微米尺度、到宏觀節能效率，綜述了VO2材料在智能窗上的最新研究進展，並提出為了將該技術更好的推廣和廣泛應用，需要重點關注如下幾個問題：
如何平衡相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率這幾個參數； 如何調整VO2的顏色，使其更加符合人們的審美習慣；如何調整VO2的熱發射率； 如何提高VO2的穩定性；VO2的毒性評價。上海大學崔苑苑和南洋理工大學柯宇傑為論文的共同第一作者，上海大學高彥峰和南洋理工大學龍禕為該論文的共同通訊作者。相關系列研究獲得了新加坡Nationalresearch foundation、新加坡教育部、中國國家自然科學基金、中國科技部和上海市科委等的大力資助。
作者簡介
高彥峰，博士，材料學專業。上海大學教授，博士生導師，電子信息材料系主任。教育部長江學者特聘教授（2016-）。國家傑出青年基金（2013-）、中國科學院「百人計劃」（2007）、上海市「浦江人才」、上海市優秀學術帶頭人獲得者。2004年獲得名古屋大學應用化學博士學位。先後在陝西科技大學、名古屋大學、武藏工業大學和中科院上海矽酸鹽研究所工作。擔任中國材料研究會理事、中國顆粒協會青年理事、中國矽酸鹽協會特陶分會理事、中國矽酸鹽協會薄膜與塗層分會理事、浙江省新材料協會理事，以及 「Scienceof Advanced Materials（ISSN: 1947-2935）」、「Journal of the Chinese Advanced MaterialsSociety（ISSN: 2224-3682）」，「Progress in Natural Science: Materials」和「材料研究學報」（ISSN：1005-3093）等多個期刊編委和全國多個重點實驗室學術委員會委員。獲得上海市教育系統優秀黨員（2016）、入選上海大學第三屆「我心目中的好導師」、中科院百人計劃終期評估優秀（2012年）、國際先進材料聯合會年度科學家獎(2011年)、上海矽酸鹽研究所師德標兵（2011年）、日中陶瓷科學技術交流獎（2007年）、日本陶瓷協會倉田元治獎（2005年）、和首屆國家自費留學生獎學金（2003年）等獎勵。承擔長江學者基金、上海市高峰高原、上海市雙一流建設、國家傑出青年科學基金、科技部重大研發計劃、上海市重大產業研究項目、863、國家科技支撐計劃和上海市基礎研究重點等科研項目。主要研究方向為面向建築、工業和日用領域若干關鍵節能材料和薄膜的製備與應用研究，重點涉及節能窗粉體與薄膜、熱障塗層、太陽熱調製材料和氣凝膠。發表學術論文160餘篇，總被他引5000餘次，h因子42。編輯英文專著1部，為6本專業書籍各撰寫1章，獲邀撰寫綜述論文3篇。申請發明專利100餘項（已授權60餘項）；參加並做會議報告100餘次(重要國際會議特邀報告40餘次)。
龍禕，博士，現任新加坡南洋理工的高級講師，博士畢業於劍橋大學。她早期職業生涯成功實現兩項從實驗室到工業界轉換，包括全球第一大的硬碟公司SEAGATE TECHNOLOGY。 過去六年，她主要研究領域集中在智能玻璃，作為principal investigator負責的項目獲得全球華盛頓2015年度科技連接創新大獎TechConnect Innovation Award。她目前的研究興趣包括節能塗層，功能性材料及結構。
參考文獻
Y. Cui, Y. Ke, C. Liu, Z. Chen, N. Wang, L. Zhang, Y. Zhou, S. Wang, Y. Gao, Y. Long, Thermochromic VO2 for Energy-Efficient Smart Windows, Joule (2018), http://doi.org/10.1016/ j.joule.2018.06.018.
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