刊登《自然·通讯》！创冷科技联合创始人带领，热致变色建筑智能窗户再突破

如今，建筑用能已成为社会总能耗中占比最多的项目（超过40%），而建筑的高能耗通常源于用能较为集中的暖通空调系统。为了降低空调能耗，传统的做法是对传统供暖制冷设备进行升级改造。

近年来新型节能围护结构技术的涌现，可以从根本上减少了建筑自身的冷热负荷，为减轻空调用能提供了全新的思路。在其中，智能变色窗技术就是一项极具代表性的技术。智能窗能够根据建筑的光热需求，实时动态调节室内太阳辐射热吸收，从而实现对建筑热负荷的智能调节。

热致变色钙钛矿材料，因其近常温的变色温度、短暂的变色时间、较高的透光率和太阳辐射调节能力，在建筑节能智能窗领域备受关注。然而，这种材料也存在一些问题：耐候性较差，容易受到湿度、水分的影响；成膜性较差，导致制备的智能窗涂层光学雾度较高，可能会影响视野清晰度。这些问题从根本上限制了热致变色钙钛矿智能窗的实用化和大规模推广。

为解决上述难题，创冷科技联合创始人、香港城市大学能源与环境学院曹之胤教授及其团队，联合香港科技大学机械与航空航天工程学系黄宝陵教授团队，成功研发了一种新型热致变色钙钛矿智能窗（MTP智能窗）。这项研究的灵感来源于医用口罩的设计，具备良好的呼吸性、高耐候性和低雾度优势。

论文的第一作者是香港城市大学博士后刘赛博士，共同第一作者是浙江大学百人计划研究员李洋博士。此外，该研究还得到了香港城市大学任广禹教授、叶轩立教授和余健文教授的悉心的指导和支持。

钙钛矿材料的热致变色原理，本质上是在温度变化的热驱动下，通过钙钛矿与水蒸气的吸附及脱附反应，实现相转变反应。水蒸气的存在对于实现颜色变化至关重要，但是，水分的过量又可能对钙钛矿结构造成损害。因此，精确调控与钙钛矿反应的水蒸气量，是确保钙钛矿材料能够稳定变色的同时保持长寿命的关键。

在疫情期间，口罩成为了大众日常生活中必不可少的防护用品。医用口罩的三层结构设计（外层抗湿层、中间熔喷层，内层贴肤层），不仅确保了空气的畅通，还能有效阻挡飞沫，大大降低了病毒传播的风险。

研究团队从中获得灵感，为热致变色钙钛矿材料设计了一套类似口罩的“保护层”，以调节水蒸气的适量进入和排出，既确保了钙钛矿材料的变色能力，又防止了水分过量对其结构的破坏。

这种创新的智能窗户由三层构成：底层是热致变色钙钛矿，中间层是聚氮硅烷（PHPS），上层是疏水性SiO2纳米颗粒。

口罩结构示意图及MTP智能窗结构示意图©论文

PHPS和SiO2纳米颗粒层都具有高度透明性，当它们被涂布在热致变色钙钛矿表面时，并未损害其光学性能，MTP智能窗的冷态透光率可达83%，太阳光调节能力高达24%。

值得注意的是，这种复合材料的光学性能甚至超过了纯热致变色钙钛矿。这种光学性能的提升主要归功于PHPS涂层显著降低了钙钛矿表面的粗糙度，有效缓解了热致变色钙钛矿成膜性不佳的问题。这抑制了钙钛矿表面的光散射效应，使得光学雾度从90%大幅降低到30%。光学雾度的显著下降成功解决了热致变色钙钛矿智能窗户清晰度差的问题，即通常所说的“毛玻璃效应”。

纯热致变色钙钛矿智能窗（TPW）及MTP智能窗雾度对比©论文

在PHPS及上层疏水SiO2纳米颗粒的共同作用下，MTP智能窗户展现出了优秀的防水特性。这一特点大大提升了热致变色钙钛矿智能窗户的实际应用价值。实验数据表明，MTP智能窗户表面达到了160°的超疏水角，即使将MTP智能窗户完全浸泡在水中5分钟，其变色功能仍然可以正常维持。这一出色的防水性能也有助于防止钙钛矿材料遇水时铅元素泄露，使得MTP智能窗户的使用更为安全可靠。

在耐老化测试中，MTP智能窗户的光学性能可以保持超过一个月，这一表现是原始热致变色钙钛矿的37倍，显著提升了热致变色钙钛矿的耐候性。

上图：MTP智能窗的疏水性测试

下图：MTP智能窗的防止铅泄露测试©论文

由于“口罩式结构”提供的良好的防水能力，更长的使用寿命及更好的防铅泄露保护，使得热致变色钙钛矿可以直接涂布于柔性PET制成窗膜，而无需额外封装在双层玻璃窗内，这在未来应用中可显著降低建筑改造成本，并推动智能窗户的广泛应用。

为验证窗膜的节能潜力，研究团队以美国地区为例，进行了建筑能耗模拟分析，发现使用该类智能窗膜可降低建筑全年能耗高达10%。进一步提高了热致变色钙钛矿智能窗的实际应用价值。

MTP智能窗膜及其节能潜力©论文

这项研发突破，不仅成功克服了热致变色钙钛矿智能窗在实际应用中遇到的问题，而且为解决其他钙钛矿器件类似问题提供了新的解决方案。

我们相信，热致变色钙钛矿材料在未来应用种将具有广泛的前景，有望成为绿色建筑的标准配置，为低碳环保、智能节能科技等领域带来重大突破。