Nature Energy:聚乙烯醇抑制剂助力金属可逆沉积，实现规模化动态窗户

【引言】

掌握光和热的流动是全球应对气候变化的努力中日益重要的组成部分。一些重要的技术，如低发射率涂层和辐射冷却器，可大大降低在一定条件下的能量使用，但缺乏适应动态（气候和季节）环境的能力。具有可调色调的动态窗户让用户可以控制光和热的流动，以减少建筑物的碳流动，并提高居住者的舒适度。动态窗户通过减少照明、加热和冷却负荷，使建筑平均节能20%，并被列为建筑脱碳的关键需求。除了节能之外，还有越来越多的证据证明了自然光的重要性，而带有动态窗户的办公楼则为其居住者的健康、幸福和生产力提供了可衡量的效益。尽管动态窗户有很多好处，但由于现有技术无法以合理的价格获得快速且不影响色彩的色调，因此至今为止只有0.004%的商业建筑中采用了动态窗户。进一步研究表明，基于可逆金属电沉积（RME）的动态窗口有望克服成本，颜色，对比度和耐用性方面的挑战，其阻碍了基于电致铬氧化物和分子的传统技术的采用，RME动态窗口的体系结构可以实现更大范围的可见光和太阳辐射控制，从而获得最佳的舒适度和能效。但现有的RME技术还不足以获得沉积均匀且致密的金属膜。

近日，美国科罗拉多大学Michael D. McGehee教授（通讯作者）报道了使用聚合物抑制剂聚乙烯醇（PVA），在动态窗口中可逆地沉积具有受控形态的金属膜（光滑，致密的金属膜）。使用聚合物抑制剂的窗户可以在不到3分钟的时间内，轻易地将可见光透射率降至0.001％以下，并显示出高红外反射率（> 70％）和色中性透射率（C*<5），以及比任何现有技术更广泛的可见光和太阳调制范围。用PVA生长的金属膜，其改进的光学和电学性质，允许构建具有快速且均匀着色的大于 900 cm²动态窗户。更加重要的是，该聚合物添加剂通过促进数千个周期的稳定和可逆电沉积，提高了RME动态窗户的耐久性。相关研究成果以“Polymer inhibitors enable >900 cm² dynamic windows based on reversible metal electrodeposition with high solar modulation”为题发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图一、基于可逆金属电沉积的动态窗口示意图

电解液由丁基橡胶边缘密封框住，并夹在镀铂的铟锡氧化物（Pt-ITO）电极和金属框架电极之间。每个电极都粘附在玻璃支架上。在Pt-ITO和金属电极之间施加阴极（还原）电势会引起金属电镀（即着色），而阳极（氧化）电势会使金属溶解回到电解质中（即漂白）。在金属电极上发生相反的（反向）反应以完成电路。

图二、使用聚合物抑制剂的形貌控制

（a）在没有电解质添加剂的情况下，发生的枝晶状金属电沉积的示意图；

（b）吸附有聚合物抑制剂促进金属均匀电沉积的示意图；

（c）具有吸附的多元醇抑制剂的电极-电解质界面的放大图；

（d）在没有电解质添加剂的情况下沉积1分钟后的金属SEM图像；

（e）d中显示的电沉积的AFM图像；

（f）使用0.1 wt％PVA溶解于电镀溶液中沉积1min后的SEM图像；

（g）f中显示的电沉积的AFM图像；

图三、动态窗口的光学效率

（a，b）在四个不同的沉积时间后，无添加剂的5 cm×5 cm动态窗口（a）和具有0.1 wt％PVA的5 cm×5 cm动态窗口（b）的透射光谱；

（c，d）在120秒钟金属沉积下在550 nm（人眼最敏感的地方）的透射率与时间的关系（c），以及沉积所需的电荷密度与时间的关系（d）；

（e）根据图2c，d中的数据计算出的，在550 nm处的染色效率与对比度的关系。

图四、光学性能及其与商用的对比

（a）七种不同光学状态的基于金属动态窗口的透射光谱，以及实现每个状态所需的切换时间；

（b）通过玻璃上ITO电极测量的反射光谱，在该电极上最初形成了七种光学状态的金属膜；

（c）通过对沉积的金属薄膜顶部表面取样，金属反电极测量的反射光谱；

（d）性能对比图；

（e）色度（C*）与VLT的关系，并显示中性色的条件。

图五、大于900 cm²的均匀着色

（a）电沉积300s的电流密度和电荷密度与时间的关系；

（b）在五种不同的沉积时间（15 s，30 s，60 s，120 s，300 s）下，测量的样品的薄层电阻和膜厚度与时间的关系；

（c）从929 cm² ITO电极的边缘到中心的电压降与沉积时间的关系；

（d）在929 cm²动态窗口的三个不同点处测得的550 nm透射率与时间的关系，以证明从边缘到中心的均匀着色；

（e）具有均匀测量点的929 cm²动态窗口；

（f）黑暗状态下的929 cm²动态窗口。

图六、超过1000个周期的动态窗口的耐用性

（a）周期1，周期500和周期1000的550 nm透射率与时间的关系；

（b）在周期1，周期500和周期1000的透明状态和黑暗状态（-0.7 V，30 s）下的透射光谱；

（c）周期1，周期500和周期1000的电荷密度与时间的关系；

（d，e）在无PVA和向电解液中添加0.1 wt％PVA后，经过1000次循环后，Cu网格的显微镜图像。

【小结】

综上所述，作者演示了使用聚合物抑制剂来控制基于可逆金属电沉积的动态窗口中，金属薄膜的形貌和光学性能。通过在电解质中加入低浓度的聚乙烯醇，展示了光滑和紧凑的金属薄膜的可逆电镀，从而提高了动态窗口的性能。采用聚合物抑制剂的窗户可在小于3min内将可见光透射率降至0.001％以下，并表现出高红外反射率（>70%）、色中性透光率（C*<5）以及超宽光学和太阳调制。采用PVA生长的金属薄膜改善了光学和电学性能，可建造大于900 cm²的动态窗口，并具有快速，均匀的着色和提高的耐用性。同时几乎没有增加任何复杂性，证明了基于可逆金属电沉积以节省建筑物能源的动态窗户的商业前景。

文献链接：“Polymer inhibitors enable >900 cm² dynamic windows based on reversible metal electrodeposition with high solar modulation”(Nature Energy，2021，10.1038/s41560-021-00816-7)

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