房子想隔热？给窗户加点“氢”

二氧化钒是一种很有前途的智能窗户材料。当房间冷的时候，窗户会变得透明，可见光和红外线会进来加热。当房间温度上升时，窗户会自动反射红外线，防止热量进入。

对于智能窗口来说，“智能”无疑是最关键的部分。如何更准确地感知温度变化并调节二氧化钒的光能传递是科学家非常关心的问题。经过不断的尝试，科学家发现在二氧化钒中加入氢原子可以驱动其在绝缘体和导体中的状态变化，从而改变光能的传输，从而达到智能控制室内温度的效果。

然而，这种方法的实际制备成本非常高。这是因为添加氢原子需要在高温条件下用贵金属如铂或金催化生成氢原子，然后注入高能氢原子。此外，理论上，二氧化钒的状态转变只能控制红外光的透光率在15%以下，可见光的透光率也低于60%，不能完全满足实际需要。

最近，由中国科技大学邹崇文副教授和蒋军教授领导的团队解决了这个问题。利用开发的质子-电子共掺杂策略，他们巧妙地将酸的“腐蚀”效应转化为向二氧化钒中添加氢原子的驱动力，获得了非常廉价的智能窗口材料，打破了传统二氧化钒材料透光率调节的理论极限。

研究人员发明了一种“质子-电子共掺杂”策略，利用质子在廉价的酸性溶液中，以低成本、低能耗实现“腐蚀转化为氢化”的效果。质子是带正电荷的氢原子，是氢原子的廉价来源。问题是正电荷会破坏二氧化钒材料的结构，导致腐蚀后果。

基于理论预测，他们发现电子可以首先注入到二氧化钒材料中，这样带正电的质子，在正负电荷的吸引下，将渗透到材料中，转化为添加了氢原子的耐腐蚀“盔甲”，而不是腐蚀已经积累了负电荷的材料。此外，理论研究还发现，不同浓度的氢原子的进入会改变材料的电子结构，从绝缘体变成导体，甚至形成另一个新的绝缘体。

因此，他们发展了电场调节技术。根据计算出的添加不同浓度氢原子的能量需求，它们以不同的电压驱动材料氢化。最后，他们成功地开发了一种二氧化钒材料，通过对固体电解质施加低正向和反向偏置电压，可以在室温下可逆地调节和控制氢化浓度。其对太阳光谱中红外光的调制能力达到26.5%，可见光透过率达到70%以上。

与以往的二氧化钒热变色和电致变色智能窗的商业产品和以往的结果相比，这一结果更加突出，突破了传统二氧化钒温控智能窗红外调节能力的理论极限。

图电压驱动不同浓度氢气添加二氧化钒低成本制备高性能智能窗材料

通过这项研究，他们实现了氧化物半导体材料低能耗、低成本的氢化策略，这对功能材料的改性和优化具有重要意义。研制的高性能二氧化钒智能窗材料不仅可以大范围控制透光率，还能满足室内照明要求，其低成本优势也大大提高了“智能窗”的应用可能性。

该成果发表在子期刊《科学进步》(5，eaav6815，2019)上，标题为“高性能智能窗口的门控VO2相变”。