智慧窗是一種能夠在外界刺激(如電、熱、光等)下改變自身光學特性的智慧裝置，可以有效地調節不同波長的太陽光線透過率，調節室內氣氛，降低建築能耗。智慧窗主要分為電致變色、熱致變色、光致變色智慧窗。其中，光致變色智慧窗(PSWs)能夠對光進行響應並改變其效能，近年來備受關注。
功能化水凝膠的實現通常是透過修飾功能基團或功能性填充物來實現的。光致變色水凝膠可以透過在水凝膠基質中加入光致變色填料或離子來製備。WO3是一種有價值的功能材料，在顯示器件、智慧窗、光催化劑、光電感測器、氣體感測器、電池負極材料等方面得到了廣泛的應用。電子-空穴對在紫外光下產生。然後，光產生的電子被W6+俘獲，生成W5+。同時，膜內或膜表面的還原性物質被光生孔氧化形成H+。在此之後，陽離子佔據了原子晶格之間的氧空位位置，並與還原氧化物結合形成亞穩態鎢青銅(HxWO3)。發光後的顏色是由W6+和W5+之間的電子間電荷轉移引起的。
近期，溫州研究院陳強課題組報道了一種巧妙的方法，以甘油為多功能共溶劑，將WO3奈米顆粒引入聚乙烯醇/甘油有機水凝膠(PVA/Gly OGHs)中，製備光致變色奈米複合有機水凝膠(NC OGHs)。醇類，如聚乙烯醇、甘油等，可以透過−OH基團提供質子，並透過氫鍵加速質子的傳播，增強光致變色能力。甘油/水混合溶劑能溶解WO3奈米顆粒，形成透明溶液。同時，甘油可以作為物理交聯劑與PVA形成多個氫鍵，顯著提高PVA OGHs的力學效能。此外，甘油是一種應用廣泛的防凍溶劑，甘油的加入可以降低水的冰點。一般認為，甘油在有機水凝膠中的防凍機理是羥基透過氫鍵與水結合，減少水分子之間的相互作用，防止冰晶的形成。結果表明，PVA/Gly/WO3 NC OGHs具有優異的力學效能、耐低溫性和高透明度。研究了這些NC OGHs的光致變色效能和紫外阻擋效能。此外，PVA/Gly/WO3 NC OGHs也被用於室溫和寒冷環境下的智慧窗戶。這項工作為光致變色有機水凝膠提供了新的見解。相關論文以題為Tough, Transparent, and Anti-Freezing Nanocomposite Organohydrogels with Photochromic Properties發表在國際著名期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
Scheme1a顯示了一個合成強、韌、耐凍融、光致變色NC ogh的一般合成過程。將PVA加熱後溶解在含有WO3奈米顆粒的水/甘油混合物溶液中，經過3次凍融迴圈(−20℃和室溫)，形成PVA/Gly/WO3 NC OGHs。與其他基於甘油的OGHs不同，PVA/Gly OGHs和PVA/Gly/WO3 NC OGHs中的甘油既是一種物理交聯劑，也是一種共溶劑。甘油和PVA之間強烈的氫鍵相互作用導致了我們的ogh的超分子網路結構，這歸功於OGH優異的能量耗散能力和高韌性。同時，甘油和水的助溶劑顯示出較低的冰點，從而使OGHs具有防凍能力。此外，WO3奈米粒子的存在賦予了NC OGHs的光致變色效能。如圖1b所示，原WO3奈米顆粒分散溶液呈黃綠色渾濁;然而，當聚乙烯醇和甘油溶解在其中時，溶液變得清晰透明。這可能是由於WO3奈米顆粒是透過與甘油/聚乙烯醇之間的氫鍵作用而穩定的。WO3奈米顆粒的zeta電位為−40 mV。在該溶液中溶解少量PVA後，zeta電位提高到−6 mV，推測PVA鏈在WO3奈米顆粒上的吸附。奈米顆粒的尺寸也從240 nm增加到280 nm。研究還發現，WO3奈米顆粒分散液在加入甘油後加熱後變得透明。結果表明，甘油和聚乙烯醇對WO3奈米顆粒均有穩定作用。奈米WO3的加入不影響PVA和甘油的凝膠性質。NC OGH高度透明，經紫外光照射後呈深藍色(Scheme1b)。
綜上所述，採用一種簡便的方法制備了具有高透明度、高強度和耐低溫效能的新型光致變色奈米石墨烯。該器件能在紫外線照射下快速變色，並透過控制照射時間精確調節變色。光致變色的NC OGHs在空氣中的高溫下可以快速褪色，並在氮氣氣氛下的低溫下實現顏色的長期儲存。此外，該系統還可以實現光學資訊的重寫。本發明的彩色OHG可作為藍色濾光片和紫外感測器。可控制的變色和漂白，以及優異的紫外線遮蔽能力，使我們的NC OGHs應用於建築或車輛的智慧窗戶。本研究為製備效能優良的光致變色奈米二氧化矽提供了一種簡單的方法，這將有利於光致變色材料的發展。
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http://doi.org/10.1021/acsami.1c07563
