城大研究人员以口罩为灵感研发钙钛矿智慧窗 增强耐久性和能源效率
热致变色钙钛矿 (Thermochromic perovskite) 是一种用于节能智慧窗的新型的变色技术。尽管热致变色钙钛矿具有节能潜力，但其耐久性欠佳，容易受湿度和水分破坏，限制了其实际应用。香港城市大学（城大）研究人员为解决上述难题，以医用口罩为灵感，开发出透气、耐用、低雾度的钙钛矿智慧窗，推动智慧窗在绿色建筑中的广泛应用。
“这个口罩式窗体结构的设计，解决了长期困扰热致变色钙钛矿智能窗的耐久性差及光学雾度高的关键问题。” 城大能源及环境学院曹之胤教授解释道。
口罩式的结构显著降低了钙钛矿表面粗糙度，缓解了热致变色钙钛矿成膜形态。这使钙钛矿表面光散射效应被抑制，其光学雾度也由此大幅从90%降低到30%，因而解决了热致变色钙钛矿智能窗户中清晰度差的难题，即毛玻璃效应。
此外，口罩式的结构使智能窗也表现出良好的防水能力，有效防止了大颗粒水珠（如雨滴）对钙钛矿的破坏。良好的防水性也抑制了钙钛矿遇水铅泄露的问题，令该热致变色钙钛矿智能窗在使用上更加安全可靠。在老化测试中，它可保持其原有光学性能长达一个月以上，显著提高了热致变色钙钛矿的耐久性。
“研究中最具挑战性的部分是增强热致变色钙钛矿智慧窗的耐久性，同时减少光学雾霾。” 曹教授补充说：“这解决方案涉及一种口罩式结构，该结构可控制水蒸气与钙钛矿的相互作用，保持其颜色切换能力并延长其使用寿命。”
研究团队的灵感启发自医用口罩的结构，继而为热致变色钙钛矿套用口罩式结构。这种创新设计包括一个三层结构，底层为热致变色钙钛矿，中间层为聚氮硅烷（PHPS）及上层的疏水SiO2纳米颗粒。新智能窗的冷态透光率达83%，太阳光调节能力达到24%，有效地解决了这一双重挑战。
由于面罩式结构增强了热致变色钙钛矿的防水能力，使其可以直接涂布在柔性PET制成窗膜上，无需额外的封装，从而降低建筑改造成本，推动了智能窗户在未来更广泛的使用。研究团队进行建筑能耗模拟分析，发现使用该类智能窗膜可降低建筑全年能耗高达10%，显示出其节能潜力和实用性。
是次研究成果已发表在科学期刊《自然 - 通讯》(Nature Communications)上，题为 <Mask-inspired moisture-transmitting and durable thermochromic perovskite smart windows>。
第一作者为香港城市大学博士后刘赛博士。通讯作者是曹教授及香港科技大学机械与航空航天工程学系黄宝陵教授。其他来自城大的合作学者包括任广禹教授、叶轩立教授和余健文教授。
如有查询，欢迎联络城大能源及环境学院曹之胤教授（电邮：chiytso@cityu.edu.hk）。