一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构的设计

1.本发明涉及新能源及节能技术领域，尤其涉及一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构的设计。


背景技术：

2.节能一直是全世界面临的重要问题。建筑能耗在能源消耗领域中占有很大的比重，高达整个能源需求的三分之一。其中，窗户作为建筑与外界的换热通道，其能量损失约占建筑总能耗的50％。因此，可以动态调节太阳辐射透光率的智能窗被认为是减少建筑能量损失的关键技术之一。二氧化钒热致变色智能窗可以根据环境温度自动调节进入房间的太阳热辐射，而不需要额外的激励能耗，具有很大的应用潜力。
3.然而，基于二氧化钒的热致变色智能窗仍面临以下挑战：降低相变温度(tc)，提高太阳调制能力(δt
sol
)，同时保持较高的可见光透过率(t
lum
)。通过将具有低相变温度的钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒嵌入聚合物中是提高二氧化钒薄膜热致变色性能的有效方法。孤立的金属相二氧化钒纳米颗粒可以在近红外波段发生局域表面等离子体共振，这可以提高相变前后的透过率差。而钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒的含量和薄膜的厚度是影响薄膜整体热致变色性能的关键因素，但通过优化两者依旧无法同时使可见光透过率和太阳能调制能力同时达到较理想的状态。因此，在此基础上进一步提高可见光透过率和太阳能调制能力一直是待解决的一大难题。本发明引入二氧化硅微球，通过合理控制薄膜厚度以及二氧化硅微球尺寸，利用简单的旋涂法制备了嵌入单层分散的二氧化硅微球的复合薄膜，制备流程简单，成本低，可重复性好。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构，在不牺牲太阳能调制能力的前提下提高可见光透过率。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一方面提供了一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构，包括如下步骤：
7.获取混合均匀的二氧化钒-二氧化硅前驱体混合液，所述混合液中包括掺钨的二氧化钒纳米颗粒、合适尺寸的二氧化硅微球、聚乙烯吡咯烷酮和无水乙醇；
8.将所述的前驱体混合液滴加于1cm*1cm的石英基底表面，在800r/min下旋转5s，2000r/min下旋转15s。
9.在一些实施例中，所述应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构，所述方法还包括：
10.所述石英基底需预先在食人鱼溶液中浸泡20min进行亲水处理，所述食人鱼溶液为浓硫酸与过氧化氢以3∶1的体积比配置而成。
11.在一些实施例中，所述应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构，包括：
12.所述获取混合均匀的二氧化钒-二氧化硅前驱体混合液之前，所述方法还包括：
13.获取具有最佳太阳能调制能力的二氧化钒与聚乙烯吡咯烷酮的复合薄膜的工艺参数。
14.其中，所述方法包括：
15.分别将5mg，7mg，10mg，20mg，25mg，33mg和100mg的钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒分散在5ml无水乙醇中，在60℃恒温下超声分散30min；
16.在所述的7组溶液中分别加入1g聚乙烯吡咯烷酮(k30)，超声分散1h，磁力搅拌3h，并静置24h；
17.取35ul上清液滴加在石英基底表面，在800r/min下旋转10s，2000r/min下旋转20s；
18.在所述的溶液中不断滴加无水乙醇降低溶液粘度，调整旋涂参数，以此优化薄膜厚度。
19.在一些实施例中，所述应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构，包括：
20.二氧化钒-二氧化硅前驱体混合液的制备流程：
21.分别将20mg、30mg和40mg的直径为3.5um的二氧化硅微球和100mg钨掺杂的二氧化钒颗粒分散在6ml无水乙醇中，在60℃的水浴下超声分散30min；
22.加入1g聚乙烯吡咯烷酮(k30)粉末，继续水浴超声1h；
23.将上述溶液连续搅拌3h，静置24h备用。
24.本发明的有益效果如下：
25.本发明实施例提供的一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构的设计，制备方法简单，成本低廉，可重复性好；单层分散的二氧化硅微球作为光通路大大提高了薄膜的可见光透过率，同时保持高的太阳能调制能力，且具有辐射冷却作用降低房间内的温度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种二氧化钒-二氧化硅复合结构的制备流程图；
28.图2为本发明实施例提供的不同二氧化硅微球含量的三组样品的形貌图；
29.图3为本发明实施例提供的不同二氧化硅微球含量样品的透射光谱图及对应的可见光透过率和太阳能调制能力；
30.图4为本发明实施例提供的二氧化钒-二氧化硅复合结构样品的节能测试结果。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
32.现阶段，基于二氧化钒的热致变色智能窗仍面临以下挑战：降低相变温度，提高太阳调制能力，同时保持较高的可见光透过率。通过将具有低相变温度的钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒嵌入聚合物中是提高二氧化钒薄膜热致变色性能的有效方法。孤立的金属相二氧化钒纳米颗粒可以在近红外波段发生局域表面等离子体共振，这可以提高相变前后的透过率差。而钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒的含量和薄膜的厚度是影响薄膜整体热致变色性能的关键因素，但通过优化两者依旧无法同时使可见光透过率和太阳能调制能力同时达到较理想的状态。因此，在此基础上进一步提高可见光透过率和太阳能调制能力一直是待解决的一大难题。
33.为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种应用于智能窗的二氧化钒-二氧化硅复合结构的设计。
34.图1示出了本发明实施例提供的一种二氧化钒-二氧化硅复合结构的制备流程图，该方法包括以下步骤：
35.步骤1：获取混合均匀的二氧化钒-二氧化硅前驱体混合液，所述混合液中包括掺钨的二氧化钒纳米颗粒、合适尺寸的二氧化硅微球、聚乙烯吡咯烷酮和无水乙醇；
36.步骤2：将所述的前驱体混合液滴加于1cm*1cm的石英基底表面，在800r/min下旋转5s，2000r/min下旋转15s
37.具体的，在步骤1前，还包括：获取具有最佳太阳能调制能力的二氧化钒与聚乙烯吡咯烷酮的复合薄膜的工艺参数。
38.需要说明的是，所述工艺参数的获取包括几个步骤：分别将5mg，7mg，10mg，20mg，25mg，33mg和100mg的钨掺杂的二氧化钒纳米颗粒分散在5ml无水乙醇中，在60℃恒温下超声分散30min；在所述的7组溶液中分别加入1g聚乙烯吡咯烷酮(k30)，超声分散1h，磁力搅拌3h，并静置24h；取35ul上清液滴加在石英基底表面，在800r/min下旋转10s，2000r/min下旋转20s；在所述的溶液中不断滴加无水乙醇降低溶液粘度，调整旋涂参数，以此优化薄膜厚度。
39.具体的，在步骤2前还包括：将石英基底需预先在食人鱼溶液中浸泡20min进行亲水处理，所述食人鱼溶液为浓硫酸与过氧化氢以3∶1的体积比配置而成。
40.图2示出了本发明实施例提供的不同二氧化硅微球含量的三组样品的形貌图，所述不同二氧化硅微球含量的三组样品，包括：二氧化硅微球含量分别为20mg(ss1)、30mg(ss2)、40mg(ss3)。二氧化硅微球呈单层随机嵌入在薄膜中，随含量的增加，球间距减小。
41.结合图3，不同二氧化硅微球含量样品的透射光谱图及对应的可见光透过率和太阳能调制能力，所述二氧化钒-二氧化硅复合结构对提高可见光透过率起到了显著的效果，随着二氧化硅微球含量的增加，可见光透过率持续得到提高。
42.图4示出了二氧化钒-二氧化硅复合结构样品的节能测试结果，所述二氧化钒-二氧化硅复合结构较空白玻璃而言，明显降低了屋内温度及升温速率。
43.综上所述，本发明所述技术方案的原理清晰、设计结构简洁，具体利用了单层二氧化硅微球作为薄膜中的光通道，提高了可见光透过率，且基本不改变薄膜中二氧化钒纳米颗粒的含量，保持高的太阳能调制能力不被牺牲；利用金属相二氧化钒对近红外辐射的隔
离作用以及二氧化钒纳米颗粒和二氧化硅微球的辐射降温作用降低室内温度及升温速率。
44.以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。