【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第 三十期 智能窗户将成为现实！美国开发出二氧化钒纳米粒子新工艺
2018-09-13 张江发展战略研究院
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智能窗户将成为现实！美国开发出二氧化钒纳米粒子新工艺
美国每年在建筑方面所用能源约有30%是因为窗户材料能源效率低下而损耗的，正是由于这样的能源损耗，给消费者造成的成本损失每年约为420亿美元。
然而，就此问题，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室如果可以将一种合成二氧化钒纳米粒子的专利新工艺进行商业化，从而制造出既节能又经济的“智能窗户”的话，这种高能源消耗的问题才可能会开始有所改变。
阿贡国家实验已经申请了一种合成二氧化钒纳米粒子的新工艺的专利，这使得制造节能的“智能窗户”变得更为经济
阿贡国家实验室的化学工程师李杰(音译)表示:“我们需要开发一种连续的工艺，以经济的方式快速制造出这种纳米颗粒，并将其迅速推向市场。” 其中，在今年5月份，Li和他阿贡国家实验室的同事获得了该项工艺的美国专利许可。
热致变色智能窗户可在冬季自动通过吸收红外线能量，以保持建筑物温暖，并且在夏季可以通过阻挡红外线能量以保持建筑物的凉爽。而且，Li还表示，纳米颗粒为基础的二氧化钒薄膜的太阳调制值大约是薄膜的两倍。其中，所谓的太阳能调制其实是二氧化钒材料在低温和高温下所能控制的太阳能量。此外，二氧化钒这种材料具有类似开关的快速性，即从阻挡红外线到转变为穿透红外线只需在微或纳秒内就可以完成。
阿贡国家实验室的建筑科学项目的负责人Ralph Muehleisen说，热变色技术引起了工业界的兴趣，但由于它的高成本和有限的性能，使其仅应用于一部分产品。其中，关键问题在于，纳米形式的二氧化钒虽作为用于智能窗户的最佳材料。但是，到目前为止，还没有人知道如何以足够低的成本生产出足以支持商业化的二氧化钒纳米颗粒。
连续流动处理技术是欧洲市场应用较为广泛的一种技术，其可以改善工艺和提高能源效率以及改变材料性能。同时，该技术还消除了对具有潜在危险的高温和高压条件的需要，以及减少了这些潜在高危工艺在传统的批量生产过程中设计昂贵安全措施的花费。
一般而言，批量生产过程需要两到三天，包括手动插入和提取原料。然而，阿贡国家实验室所提供的方法是一种连续流动的生产过程，其中，涉及在高温下的短时间反应，而反应过程仅仅需几分钟。更重要的是，它还可以产生尺寸更为均匀的纳米颗粒，从而提高材料的能效。而且，可以通过组合多个微反应器，提高产量。
Muehleisen表示：“纳米颗粒的使用提高了材料的性能，而我们发明的连续流动过程降低了制造它们的成本，所以这项技术最终对窗户制造商来说是非常有意义的。然而，或许更重要的是，我们发明的这项制造工艺本身适用于需要纳米粒子制造的各种其他材料。”
传统的热致变色薄膜包含有序的二氧化钒材料，这种材料的反应温度要比掺杂纳米颗粒材料的反应温度高得多。传统窗户必须达到154华氏度华氏度（68℃）才能开始阻挡红外线热量。包含钨的二氧化钒纳米颗粒的窗户在77华氏度（25℃）时就达到了该临界转变温度。
与传统窗户不同的是，这种含有纳米颗粒的窗户不需要着色来提高能效。此外，Muehleisen估计，阿贡国家实验室的连续流动处理技术可以使纳米粒子的制造成本比传统方法低至少五倍。
根据LC的NanoMarkets的数据显示，2014年智能窗口市场价值10亿美元，预计到2021年将达到近30亿美元。现有的节能窗技术效率低，成本高，有的甚至二者兼具。根据对新兴技术进行独立研究的咨询公司Lux Research的数据显示，到2020年，热致变色窗可占据该市场的三分之二。
为了进一步开发二氧化钒热致变色技术，Li和Muehleisen试图将其粒径从100纳米降低到15或20纳米。而在这个较小的粒径尺寸下，3000到4000个纳米颗粒才等价于人类的一根头发丝的直径。这与较大的粒子相比，较小的粒子主要有两个优势。一是他们散射更少的光，使窗膜更透明;二是，他们会更好地调节红外线热量，从而更节能。
二氧化钒纳米颗粒也可作为一种检测技术应用于国防，其主要作用在于可能会干扰用于测量房间振动的红外光束。同时，随着进一步的研究和开发，这种材料还可能为飞机和其他车辆提供激光武器防护。
来自阿贡国家实验室的材料科学家，工艺工程师，能源科学家和建筑科学家以及芝加哥大学的商业化专家团队，在实验室相对年轻的建筑项目的支持下，共同开发了二氧化钒纳米粒子技术。
“我希望扩大建筑计划，以便与我们的发现科学团队更紧密地合作，”Muehleisen说。 “需要更好地了解在建筑设计中有一些应用的材料的基本物理和化学。我们需要我们需要打破常规，以获得适应性/动态，性能更好，制造成本更低，对环境影响更小的下一代材料。“
原文来自：nanowerk，原文题目：Nanoparticles improve smart-window energy efficiency，由材料科技在线团队翻译整理。
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