CN114320133A

CN114320133A - 一种智能窗户及其制备方法

Info

Publication number: CN114320133A
Application number: CN202210103604.3A
Authority: CN
Inventors: 刘奇明; 赵永刚; 王煜; 刘浩; 贺德衍
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: CN114320133B

Abstract

本发明提供一种智能窗户及其制备方法，涉及新材料领域。该智能窗户包括两个PEDOT：PSS薄膜电极以及封装在两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的电解质，PEDOT：PSS薄膜电极包括基底以及设置在基底表面的PEDOT：PSS悬浮液涂层，PEDOT：PSS悬浮液由乙二醇、PH1000、含氟表面活性剂配制而成，电解质包括磷酸电解液或磷酸凝胶电解质，磷酸电解液由磷酸溶液、去离子水、乙二醇配制而成，磷酸凝胶电解质由聚乙烯醇与所述磷酸电解液配制而成。本发明提供的智能窗户可显著调控太阳近红外辐射能的透过率、可电化学储能、可见光透明度高、可全天候工作、稳定性好。

Description

一种智能窗户及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种智能窗户及其制备方法。

背景技术

气候变化和全球变暖已经成为人类所面临的头号生存危机，在此背景下，绿色低碳和节能减排已成为全球关注的焦点话题。从能源消费行业类别来看，建筑、工业、交通是全球公认的三大高耗能领域，随着我国城市化进程的加速和人民生活质量的改善，建筑耗能正在不断增加。相关报道表明建筑耗能的50％用于空间的冷热调节和照明，造成空间过冷或过热的主要原因与建筑窗户不可控的光热传导有关，尤其是来自太阳的近红外辐射，波长为700～2500nm范围内的近红外辐射包含了太阳到达地球表明的总能量的50％，它属于不可见光且具有很强的热效应。因此，可以智能调控太阳近红外辐射能的透过率的智能窗户近年来得到了快速发展。

智能窗户具有很好的应用前景和众多发展机遇，安装有智能窗户的建筑也可以为居住者的健康、快乐和生产力带来积极效果。然而，它在市场上的推广受到以下几方面重要因素的限制：可见光透明度较低，雾度大；不理想的耐低温性能导致其对动态环境的适应性不足且无法全天候工作；短暂的器件寿命和昂贵的活性材料增加了制造成本；单一的功能和普通的节能效果影响了市场投资和进一步发展。

综上所述，提供一种可显著调控太阳近红外辐射能的透过率、可电化学储能、可见光透明度高、可全天候工作、稳定性好的智能窗户，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种可显著调控太阳近红外辐射能的透过率、可电化学储能、可见光透明度高、可全天候工作、稳定性好的智能窗户，降低建筑能耗并解决现有的电致变色智能窗户无法在低温下运行致使制约其在节能建筑中应用和发展的问题。

第一方面，本发明提供一种智能窗户，包括两个PEDOT：PSS薄膜电极以及封装在两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的电解质，

所述PEDOT：PSS薄膜电极包括基底以及设置在所述基底表面的 PEDOT：PSS悬浮液涂层，两个PEDOT：PSS薄膜电极的PEDOT：PSS悬浮液涂层相互靠近且与所述电解质接触，PEDOT：PSS悬浮液由乙二醇、PH1000、含氟表面活性剂配制而成，

所述电解质包括磷酸电解液或磷酸凝胶电解质，所述磷酸电解液由磷酸溶液、去离子水、乙二醇配制而成，所述磷酸凝胶电解质由聚乙烯醇与所述磷酸电解液配制而成。

进一步地，所述基底选自玻璃基底或PET塑料基底；所述玻璃基底的厚度为2～5mm，所述PET塑料基底的厚度为0.05～0.2mm。

进一步地，所述PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为100～200nm。

进一步地，所述乙二醇与PH1000的质量比为7∶93，以所述乙二醇与 PH1000的质量之和为1g计，所述含氟表面活性剂的体积为0.2～0.5μL。

进一步地，所述去离子水、乙二醇的体积比为2～4∶3～1，以所述去离子水和乙二醇的体积之和为1mL计，所述磷酸溶液的质量为80～120mg，所述磷酸溶液的浓度不低于85％。

进一步地，所述聚乙烯醇与所述磷酸电解液的质量比为9～13∶91～87，所述聚乙烯醇的分子量为中分子量或高分子量。

进一步地，两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的间距为2～3mm。

进一步地，两个PEDOT：PSS薄膜电极通过设置在电极边缘的封装件封装，所述封装件包括双面胶和石蜡。

第二方面，本发明提供所述智能窗户的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000混合，向混合液中滴加含氟表面活性剂，搅拌，得到PEDOT：PSS悬浮液，将所述 PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的基底上，干燥，得到所述PEDOT：PSS 薄膜电极；

(2)制备电解质：将去离子水、乙二醇和磷酸溶液混合，搅拌，得到磷酸电解液；将磷酸电解液与聚乙烯醇混合，在70～90℃下搅拌，直到混合物呈透明的凝胶状为止，得到磷酸凝胶电解质；

(3)粘合两个PEDOT：PSS薄膜电极的边缘使其PEDOT：PSS悬浮液涂层相对并形成中空的夹层结构，预留电解质注入口；

(4)通过所述电解质注入口向夹层中注入电解质并封闭所述电解质注入口。

进一步地，步骤(1)中，所述搅拌为在室温下搅拌6～8小时。

进一步地，步骤(1)中，所述旋涂的步骤中，旋涂速度为500～1500rpm，旋涂加速度为200～400rpm/s，旋涂时间为45～60s。

进一步地，步骤(1)中，所述干燥的步骤中，对于玻璃基底，干燥温度为120～140℃，干燥时间为10～15分钟；对于PET塑料基底，干燥温度为90～100℃，干燥时间为8～12分钟。

进一步地，步骤(2)中，将去离子水、乙二醇和磷酸溶液混合后，在室温下搅拌2～3小时。

进一步地，采用双面胶粘合两个PEDOT：PSS薄膜电极的边缘，采用石蜡封闭所述电解质注入口。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的智能窗户兼具动态调节太阳近红外辐射能的透过率和电化学储能的作用，在调节室内温度的同时可以作为电源为用电设备供电。

2、本发明提供的智能窗户在充电状态和放电状态下对400～700nm 范围内的可见光均表现出高的透明度，其不影响室内采光，能够为居住者提供更舒适的生活环境。

3、本发明提供的智能窗户具有良好的耐低温性能，其对动态环境的适应能力强且在不同温度下均表现出优异的循环稳定性，能够全天候长期稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1是本发明提供的智能窗户的结构示意图；

图2是本发明提供的智能窗户的工作原理图；

图3是本发明实验例1所测试的PEDOT：PSS薄膜电极和智能窗户在不同状态下对400～700nm范围内的可见光的透过率；

图4是本发明实验例1所测试的PEDOT：PSS薄膜电极和智能窗户在不同状态下对700～1300nm范围内的近红外光的透过率；

图5是本发明实验例2所测试的智能窗户在不同温度下的循环伏安曲线，扫描速率为50mV s^-1；

图6是本发明实验例2所测试的智能窗户在不同温度下的恒流充放电曲线，电流密度为0.02mA cm^-2；

图7是本发明实验例2所测试的智能窗户在不同温度下的5000次循环稳定性测试曲线，电流密度为0.1mA cm^-2。

附图标记说明：

1-电解质；2-基底；3-PEDOT：PSS悬浮液涂层；4-封装件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明所用的原料及仪器主要包括：PEDOT：PSS(Clevios PH 1000，贺利氏，德国)，含氟表面活性剂(capstone FS3100，杜邦，美国)，聚乙烯醇(PVA，阿法埃莎(中国)化学有限公司，中国)，乙二醇(分析纯，利安隆博华(天津)医药化学有限公司，中国)，磷酸(分析纯，成都市科龙化工试剂厂，中国)，磁力搅拌器(C-MAG HS 7，艾卡，德国)，匀胶机(LS52410，安塞斯(北京)科技有限公司，中国)，热板(SPHP-8，苏州美图半导体技术有限公司，中国)，蓝电电池测试系统(CT3001A，武汉市蓝电电子股份有限公司，中国)，紫外-可见分光光度计(UV-3600，岛津，日本)，电化学工作站(CHI 760E，上海辰华仪器有限公司，中国)，高低温湿热试验箱(BPHS-60A，上海一恒科技有限公司，中国)。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用原料或仪器，均为可以通过市购获得的常规产品，包括但不限于本申请实施例中采用的原料或仪器。

实施例1

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000按质量比7∶93 混合，随后向混合液中滴加含氟表面活性剂(以乙二醇与PH1000的质量之和为1g计，含氟表面活性剂的体积为0.5μL)，在室温下搅拌8小时，得到 PEDOT：PSS悬浮液，将PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的玻璃基底(厚度为2mm)上，旋涂速度设为800rpm，旋涂加速度设为300rpm/s，旋涂时间设为45s，随后在热板上干燥，干燥温度设置为130℃，干燥时间为10 分钟，得到PEDOT：PSS薄膜电极，PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为140nm；

(2)制备电解质：将去离子水与乙二醇按体积比1∶1混合，随后将磷酸溶液以100mg/mL加入并在室温下搅拌2小时，得到磷酸电解液；

(3)采用2mm厚的双面胶粘合两个PEDOT：PSS薄膜电极的边缘，使其PEDOT：PSS悬浮液涂层相对并形成中空的夹层结构，预留电解质注入口；

(4)通过电解质注入口用注射器向夹层中注入电解质并采用石蜡封闭电解质注入口。

采用上述制备方法得到的智能窗户，其结构如图1所示，该智能窗户由两个PEDOT：PSS薄膜电极以及封装在两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的电解质1组成；PEDOT：PSS薄膜电极由基底2以及基底2表面的PEDOT：PSS 悬浮液涂层3组成，两个PEDOT：PSS薄膜电极的PEDOT：PSS悬浮液涂层 3相互靠近且与电解质1接触，两个PEDOT：PSS薄膜电极通过设置在电极边缘的封装件4封装，封装件4即为双面胶和石蜡，两个PEDOT：PSS薄膜电极的间距即为双面胶的厚度2mm。

本实施例制备得到的智能窗户的工作原理如图2所示，智能窗户充电后，正极PEDOT：PSS薄膜处于氧化态，负极PEDOT：PSS薄膜处于还原态，由于还原态的PEDOT：PSS薄膜对近红外光的透过率显著降低，从而导致智能窗户对近红外光的透过率低。智能窗户放电后，正负极均处于半氧化态，半氧化态的PEDOT：PSS薄膜对近红外光的透过率升高，从而导致智能窗户对近红外光的透过率高。因此，该智能窗户达到了动态调控太阳近红外辐射能的透过率和电化学储能的作用。与此同时，智能窗户的电解质中添加了乙二醇，大幅度改善了智能窗户的耐低温性能，提升了其对动态环境的适应能力，实现了全天候工作。

实施例2

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000按质量比7∶93 混合，随后向混合液中滴加含氟表面活性剂(以乙二醇与PH1000的质量之和为1g计，含氟表面活性剂的体积为0.5μL)，在室温下搅拌8小时，得到 PEDOT：PSS悬浮液，将PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的玻璃基底(厚度为2mm)上，旋涂速度设为500rpm，旋涂加速度设为300rpm/s，旋涂时间设为45s，随后在热板上干燥，干燥温度设置为130℃，干燥时间为10 分钟，得到PEDOT：PSS薄膜电极，PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为200nm；

采用上述制备方法得到的智能窗户，其结构如图1所示。

实施例3

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000按质量比7∶93 混合，随后向混合液中滴加含氟表面活性剂(以乙二醇与PH1000的质量之和为1g计，含氟表面活性剂的体积为0.5μL)，在室温下搅拌8小时，得到 PEDOT：PSS悬浮液，将PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的玻璃基底(厚度为2mm)上，旋涂速度设为1000rpm，旋涂加速度设为300rpm/s，旋涂时间设为45s，随后在热板上干燥，干燥温度设置为130℃，干燥时间为10 分钟，得到PEDOT：PSS薄膜电极，PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为125nm；

采用上述制备方法得到的智能窗户，其结构如图1所示。

实施例4

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000按质量比7∶93 混合，随后向混合液中滴加含氟表面活性剂(以乙二醇与PH1000的质量之和为1g计，含氟表面活性剂的体积为0.5μL)，在室温下搅拌8小时，得到 PEDOT：PSS悬浮液，将PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的PET基底(厚度为0.1mm)上，旋涂速度设为800rpm，旋涂加速度设为300rpm/s，旋涂时间设为45s，随后在热板上干燥，干燥温度设置为95℃，干燥时间为8 分钟，得到PEDOT：PSS薄膜电极，PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为140nm；

采用上述制备方法得到的智能窗户，其结构如图1所示。

实施例5

(2)制备电解质：将去离子水与乙二醇按体积比1∶1混合，随后将磷酸溶液以100mg/mL加入并在室温下搅拌2小时，得到磷酸电解液；随后将磷酸电解液与聚乙烯醇(分子量为高分子量)按质量比11∶89混合，在70～90℃下搅拌，直到混合物呈透明的凝胶状为止，得到磷酸凝胶电解质；

采用上述制备方法得到的智能窗户，其结构如图1所示。

实验例1

本实验例对实施例1步骤(1)制得的PEDOT：PSS薄膜电极和最终制得的智能窗户进行光学性能测试：通过电化学工作站改变PEDOT：PSS薄膜电极和智能窗户的状态并测试它们对400～700nm范围内的可见光及 700～1300nm范围内的近红外光的透过率。测试结果如图3～4所示。

如图3所示，本发明实施例1制得的PEDOT：PSS薄膜电极和智能窗户在不同状态对400～700nm范围内的可见光的平均透过率均在75％以上且基本保持不变。

如图4所示，本发明实施例1制得的PEDOT：PSS薄膜电极和智能窗户对700～1300nm范围内的近红外光的透过率存在显著的动态调节作用。

通过测试得出，本发明实施例1制得的智能窗户在不影响室内采光的前提下，能够动态调节太阳光中近红外波段的透过率以达到节能效果。分别对实施例2-5步骤(1)制得的PEDOT：PSS薄膜电极和最终制得的智能窗户进行光学性能测试，均得到与实施例1相似的结果。

实验例2

本实验例对实施例1最终制得的智能窗户进行电化学性能测试，测试方法如下：

将智能窗户分别置于25℃、-20℃、0℃、40℃的恒温箱中各1.5小时，通过电化学工作站测试智能窗户的循环伏安曲线(扫描速率为50mV s^-1)、恒流充放电曲线(电流密度为0.02mA cm^-2)和循环稳定性(电流密度为 0.1mA cm^-2)。测试结果如图5～7所示。

如图5～7所示，本发明实施例1制得的智能窗户在四种不同温度环境下(25℃、-20℃、0℃、40℃)均表现出良好的电化学性能和优异的循环稳定性。具体的，根据恒流充放电曲线(电流密度为0.02mA cm^-2)计算得到的四种温度下(25℃、-20℃、0℃、40℃)的面积比容量依次为0.71mF cm^-2、 0.78mF cm^-2、0.77mF cm^-2、0.76mF cm^-2，经过5000次循环后(电流密度为 0.1mA cm^-2)，其容量均保持在85％以上，因此，本发明实施例1制得的智能窗户能够实现全天候长期稳定工作。分别对实施例2-5最终制得的智能窗户进行电化学性能测试，均得到与实施例1相似的结果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种智能窗户，其特征在于，包括两个PEDOT：PSS薄膜电极以及封装在两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的电解质，

所述PEDOT：PSS薄膜电极包括基底以及设置在所述基底表面的PEDOT：PSS悬浮液涂层，两个PEDOT：PSS薄膜电极的PEDOT：PSS悬浮液涂层相互靠近且与所述电解质接触，PEDOT：PSS悬浮液由乙二醇、PH1000、含氟表面活性剂配制而成，

2.根据权利要求1所述的智能窗户，其特征在于，所述基底选自玻璃基底或PET塑料基底；所述玻璃基底的厚度为2～5mm，所述PET塑料基底的厚度为0.05～0.2mm。

3.根据权利要求1所述的智能窗户，其特征在于，

所述PEDOT：PSS悬浮液涂层的厚度为100～200nm；

所述乙二醇与PH1000的质量比为7∶93，以所述乙二醇与PH1000的质量之和为1g计，所述含氟表面活性剂的体积为0.2～0.5μL。

4.根据权利要求1所述的智能窗户，其特征在于，

所述去离子水、乙二醇的体积比为2～4∶3～1，以所述去离子水和乙二醇的体积之和为1mL计，所述磷酸溶液的质量为80～120mg，所述磷酸溶液的浓度不低于85％；

所述聚乙烯醇与所述磷酸电解液的质量比为9～13∶91～87。

5.根据权利要求1所述的智能窗户，其特征在于，两个PEDOT：PSS薄膜电极之间的间距为2～3mm。

6.根据权利要求1所述的智能窗户，其特征在于，两个PEDOT：PSS薄膜电极通过设置在电极边缘的封装件封装，所述封装件包括双面胶和石蜡。

7.权利要求1～6任一项所述智能窗户的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备PEDOT：PSS薄膜电极：将乙二醇与PH1000混合，向混合液中滴加含氟表面活性剂，搅拌，得到PEDOT：PSS悬浮液，将所述PEDOT：PSS悬浮液旋涂在清洗干净的基底上，干燥，得到所述PEDOT：PSS薄膜电极；

8.根据权利要求7所述的智能窗户的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，

所述搅拌为在室温下搅拌6～8小时；

所述旋涂的步骤中，旋涂速度为500～1500rpm，旋涂加速度为200～400rpm/s，旋涂时间为45～60s；

所述干燥的步骤中，对于玻璃基底，干燥温度为120～140℃，干燥时间为10～15分钟；对于PET塑料基底，干燥温度为90～100℃，干燥时间为8～12分钟。

9.根据权利要求7所述的智能窗户的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将去离子水、乙二醇和磷酸溶液混合后，在室温下搅拌2～3小时。

10.根据权利要求7所述的智能窗户的制备方法，其特征在于，采用双面胶粘合两个PEDOT：PSS薄膜电极的边缘，采用石蜡封闭所述电解质注入口。