Nature Energy:聚乙烯醇抑制劑助力金屬可逆沉積，實現規模化動態窗戶

【引言】

掌握光和熱的流動是全球應對氣候變化的努力中日益重要的組成部分。一些重要的技術，如低發射率涂層和輻射冷卻器，可大大降低在一定條件下的能量使用，但缺乏適應動態（氣候和季節）環境的能力。具有可調色調的動態窗戶讓用戶可以控制光和熱的流動，以減少建筑物的碳流動，并提高居住者的舒適度。動態窗戶通過減少照明、加熱和冷卻負荷，使建筑平均節能20%，并被列為建筑脫碳的關鍵需求。除了節能之外，還有越來越多的證據證明了自然光的重要性，而帶有動態窗戶的辦公樓則為其居住者的健康、幸福和生產力提供了可衡量的效益。盡管動態窗戶有很多好處，但由于現有技術無法以合理的價格獲得快速且不影響色彩的色調，因此至今為止只有0.004%的商業建筑中采用了動態窗戶。進一步研究表明，基于可逆金屬電沉積（RME）的動態窗口有望克服成本，顏色，對比度和耐用性方面的挑戰，其阻礙了基于電致鉻氧化物和分子的傳統技術的采用，RME動態窗口的體系結構可以實現更大范圍的可見光和太陽輻射控制，從而獲得最佳的舒適度和能效。但現有的RME技術還不足以獲得沉積均勻且致密的金屬膜。

近日，美國科羅拉多大學Michael D. McGehee教授（通訊作者）報道了使用聚合物抑制劑聚乙烯醇（PVA），在動態窗口中可逆地沉積具有受控形態的金屬膜（光滑，致密的金屬膜）。使用聚合物抑制劑的窗戶可以在不到3分鐘的時間內，輕易地將可見光透射率降至0.001％以下，并顯示出高紅外反射率（> 70％）和色中性透射率（C*<5），以及比任何現有技術更廣泛的可見光和太陽調制范圍。用PVA生長的金屬膜，其改進的光學和電學性質，允許構建具有快速且均勻著色的大于?900 cm²動態窗戶。更加重要的是，該聚合物添加劑通過促進數千個周期的穩定和可逆電沉積，提高了RME動態窗戶的耐久性。相關研究成果以“Polymer inhibitors enable >900?cm²?dynamic windows based on reversible metal electrodeposition with high solar modulation”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖一、基于可逆金屬電沉積的動態窗口示意圖

電解液由丁基橡膠邊緣密封框住，并夾在鍍鉑的銦錫氧化物（Pt-ITO）電極和金屬框架電極之間。每個電極都粘附在玻璃支架上。在Pt-ITO和金屬電極之間施加陰極（還原）電勢會引起金屬電鍍（即著色），而陽極（氧化）電勢會使金屬溶解回到電解質中（即漂白）。在金屬電極上發生相反的（反向）反應以完成電路。

圖二、使用聚合物抑制劑的形貌控制

（a）在沒有電解質添加劑的情況下，發生的枝晶狀金屬電沉積的示意圖；

（b）吸附有聚合物抑制劑促進金屬均勻電沉積的示意圖；

（c）具有吸附的多元醇抑制劑的電極-電解質界面的放大圖；

（d）在沒有電解質添加劑的情況下沉積1分鐘后的金屬SEM圖像；

（e）d中顯示的電沉積的AFM圖像；

（f）使用0.1 wt％PVA溶解于電鍍溶液中沉積1min后的SEM圖像；

（g）f中顯示的電沉積的AFM圖像；

圖三、動態窗口的光學效率

（a，b）在四個不同的沉積時間后，無添加劑的5 cm×5 cm動態窗口（a）和具有0.1 wt％PVA的5 cm×5 cm動態窗口（b）的透射光譜；

（c，d）在120秒鐘金屬沉積下在550 nm（人眼最敏感的地方）的透射率與時間的關系（c），以及沉積所需的電荷密度與時間的關系（d）；

（e）根據圖2c，d中的數據計算出的，在550 nm處的染色效率與對比度的關系。

圖四、光學性能及其與商用的對比

（a）七種不同光學狀態的基于金屬動態窗口的透射光譜，以及實現每個狀態所需的切換時間；

（b）通過玻璃上ITO電極測量的反射光譜，在該電極上最初形成了七種光學狀態的金屬膜；

（c）通過對沉積的金屬薄膜頂部表面取樣，金屬反電極測量的反射光譜；

（d）性能對比圖；

（e）色度（C*）與VLT的關系，并顯示中性色的條件。

圖五、大于900 cm²的均勻著色

（a）電沉積300s的電流密度和電荷密度與時間的關系；

（b）在五種不同的沉積時間（15 s，30 s，60 s，120 s，300 s）下，測量的樣品的薄層電阻和膜厚度與時間的關系；

（c）從929 cm²?ITO電極的邊緣到中心的電壓降與沉積時間的關系；

（d）在929 cm²動態窗口的三個不同點處測得的550 nm透射率與時間的關系，以證明從邊緣到中心的均勻著色；

（e）具有均勻測量點的929?cm²動態窗口；

（f）黑暗狀態下的929 cm²動態窗口。

圖六、超過1000個周期的動態窗口的耐用性

（a）周期1，周期500和周期1000的550 nm透射率與時間的關系；

（b）在周期1，周期500和周期1000的透明狀態和黑暗狀態（-0.7 V，30 s）下的透射光譜；

（c）周期1，周期500和周期1000的電荷密度與時間的關系；

（d，e）在無PVA和向電解液中添加0.1 wt％PVA后，經過1000次循環后，Cu網格的顯微鏡圖像。

【小結】

綜上所述，作者演示了使用聚合物抑制劑來控制基于可逆金屬電沉積的動態窗口中，金屬薄膜的形貌和光學性能。通過在電解質中加入低濃度的聚乙烯醇，展示了光滑和緊湊的金屬薄膜的可逆電鍍，從而提高了動態窗口的性能。采用聚合物抑制劑的窗戶可在小于3min內將可見光透射率降至0.001％以下，并表現出高紅外反射率（>70%）、色中性透光率（C*<5）以及超寬光學和太陽調制。采用PVA生長的金屬薄膜改善了光學和電學性能，可建造大于900?cm²的動態窗口，并具有快速，均勻的著色和提高的耐用性。同時幾乎沒有增加任何復雜性，證明了基于可逆金屬電沉積以節省建筑物能源的動態窗戶的商業前景。

文獻鏈接：“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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