近日，我課題組師生在國際知名期刊《Chemical EngineeringJournal》(JCR一區，中科院一區TOP，IF=15.1)上在線發表了題為“Dual response multi-function smartwindow: An integrated system of thermochromic hydrogel and thermoelectric powergeneration module for simultaneous temperature regulation and power generation”的研究論文，論文第一作者為我院碩士研究生解國祥，我院李一凡副教授和于偉教授為通訊作者。
熱致變色智能窗能夠根據環境溫度和光照水平智能調節顏色和透光率，由于其在提高建筑能效和居住舒適性方面的潛力而備受關注。然而，過度暴露在陽光下會導致熱量增加，可能會影響窗戶的使用壽命。在這項工作中，我們介紹了一種高效智能太陽能熱利用窗口的開發，該窗口集成了熱量收集、溫度調節和發電功能。智能窗口通過調節熱致變色水凝膠中的甘油含量來實現光調制。此外，熱電材料與用作發電模塊的智能窗串聯和并聯布置。開發的智能窗具有出色的陽光調制能力（91.2%的可見光透射率和99.2%的陽光屏蔽率）。同時，智能窗的響應溫度可以從34.5°C調節到24°C。實際應用證明，溫差發電完全可以滿足小型電器的開關需求。這種光熱轉換之間的轉換框架在未來智能窗戶的設計中值得關注。
成果簡介：
該智能窗采用PNIPAm熱致變色材料，通過結構調控實現了29℃下的可逆光調制，同時保持了其良好的光學透性（包括91.2%的可見光透射率和99.2%的陽光屏蔽率）。此外，設計了PVA@Gelatin-Fe2+3+/NaCl熱電水凝膠，并將其集成為溫差發電片構成發電模塊。通過將溫差發電片串聯和并聯排布在智能窗上，利用溫度梯度實現自發電（40℃溫差下可產生75μA電流），該電能可以驅動小型風扇轉動。這種多功能智能窗不僅實現了室內溫度的智能調控，其額外產生的電能也是一種清潔能源，對于實現雙碳目標具有重要意義。
主要的創新如下：
1)光熱調溫功能：該智能窗采用熱致變色材料與溫差發電水凝膠相結合，可以根據環境溫度自動調節窗戶的光透射率，有效控制室內溫度。這種光熱調溫功能可以降低能源消耗，提高室內舒適度。
2)太陽能發電功能：該智能窗利用溫差發電片在窗戶上形成的溫度梯度，實現自發電。這種發電功能可以利用太陽能，為建筑提供可再生的電力供應。
圖文信息：
圖1.（a）熱致變色PNIPAm水凝膠的制備工藝；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠的制備工藝；（c）集成熱致變色和熱電水凝膠的組裝智能車窗模塊的示意圖。
圖 2.（a）不同甘油含量的熱致變色水凝膠的目視比較;（b）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的傅里葉變換紅外光譜;（c）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的SEM照片;（d）PNIPAm、PNIPAm-gly5和PNIPAm-gly10的近紅外光譜;（e）不同甘油含量的熱致變色水凝膠的DSC曲線;（f）結構轉變引起的顏色變化的機理。
圖 3.（a）氙氣燈模擬太陽光熱致變色測試實驗裝置示意圖;（b）不同氙燈輻照時間下PNIPAm-gly5水凝膠表面的溫度變化;（c）PNIPAm-gly5水凝膠與其他工作的熱致變色響應溫度和時間比較;（d）不同氙氣燈照射時間下實際表面的溫度變化;（e）PNIPAm-gly5水凝膠的Tlum和TIR與其他報告工作的比較;（f）PNIPAm-gly5水凝膠在LCST以下和LCST以上溫度下的近紅外光譜比較;（g）熱致變色智能窗口在低于和高于LCST溫度下的光學和熱圖像。
圖 4.（a）制備的PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的數字圖像;（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的組成圖及熱電發電原理;（c）純玻璃和PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的可見光譜測試;（d）雙交聯網絡的形成原理;（e）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的SEM照片;（f）原始PVA與PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的應力-應變曲線比較。
圖5.（a）純玻璃的可見光譜測試PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠；（b）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠的SEM圖像；（c）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl水凝膠和明膠的應力-應變曲線比較；(d）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠發電能力測試的實驗裝置；由PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠在不同溫度差下與（e）時間和（f）電流的關系；（g）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠發電電壓，并同時記錄紅外熱圖像；（h）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠在不同溫度下（30～45℃）；（i）PVA@Gelatin-Fe2+/3+/NaCl熱電水凝膠的計算功率密度。
圖6.（a）多功能智能窗通過串并聯大規模集成后應用于真實建筑的模擬效果示意圖；（b）室外演示試驗的實驗裝置；（c）全天候溫度和發電試驗中記錄的溫度和電壓；（d）外部負載風扇的運行情況以及不同時間對應的電壓、電流和功率值。