二氧化钒（VO2）是很有前景的智能窗的材料，当屋子里温度低的时候，窗户会变得透明，可见光和红外线能够照射进来给房间加热；当屋子的温度上升到一定程度后，窗户就会自动反射红外线以阻挡热量进入。这就是智能隔热窗户的基本原理。
早在上世纪80年代末，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即灵巧节能调光窗(Smart window)，成为电致变色研究的另一个里程碑。
给窗户加氢困难重重
对于智能窗来说，“智能”无疑是其中最为关键的要素，如何才能更加精确感知温度的变化，调节二氧化钒光能的透过才是科学家非常注重的问题。经过不断尝试，科学家们发现，在二氧化钒中加入氢原子可以驱动它在绝缘体和导体的状态变化，带来光能透过的变化，从而起到智能控制室内温度的效果。
然而，这个方法的实际制备成本却非常昂贵。因为氢原子的加入需要在高温条件下用铂或金等贵金属来催化产生氢原子，然后再进行高能量的氢原子注入。而且，从理论上来说，二氧化钒的状态转变仅能够调控红外光透射率的15%以下，可见光的透射率也少于60%，并不能完全满足实际需求。
基于二氧化钒相变薄膜的温控智能窗概念提出已有几十年的历史，但是实用化的智能窗产品还难以推出，主要原因在于：首先是对太阳光谱中红外光的调制力还不够强(一般<15%)，使得智能窗的调控效果达不到实际要求；
其次是可见光波段的透射率不够高(一般<60%)，满足不了正常的室内采光需求，而且二氧化钒相变薄膜的可见光透射率与红外光的调制能力互相制约，此消彼长，难以兼顾；
最后就是其相对过高的相变温度(~68°C)，极大地限制了其实用化。针对上述问题，传统的解决思路一般是通过掺杂和晶粒纳米化来降低二氧化钒相变温度，通过表面织构或者多层膜等手段来改变二氧化钒的光学特性等，但这些都难以从根本上解决上述问题。
中国学者打破僵局
中国科学技术大学邹崇文副教授与江俊教授所领导的团队，巧妙地解决了这个问题。他们利用所发展的质子-电子共掺杂策略，利用酸的“腐蚀”效果巧妙地变成了往二氧化钒中加入氢原子的驱动力，从而获得了非常廉价的智能窗材料，还打破了传统二氧化钒材料的光学透过率调控的理论极限。
科研人员发明了一种“质子-电子共掺杂”的策略，可以利用廉价的酸溶液里面的质子，实现低成本和低能耗的“化腐蚀为加氢”的效果。
记者了解到，质子是带有正电荷的氢原子，是便宜的氢原子来源，而问题在于正电荷会破坏二氧化钒材料的结构，造成腐蚀后果。
他们基于理论预测，发现可以先把电子注入到二氧化钒材料中，这样带正电的质子非但不会腐蚀已经积累了负电荷的材料，反而会在正负电荷吸引的驱动下穿透进入材料，摇身一变形成加了氢原子的抗腐蚀“铠甲”。而且理论研究也发现，不同浓度氢原子的进入会让材料的电子结构发生变化，从绝缘体突变为导体甚至形成另一种新的绝缘体。
最终他们成功开发了一种在室温下利用固态电解质施加很低的正反向偏压就能够可逆的调控加氢浓度的二氧化钒材料，它对太阳光谱中红外光的调制能力达到了26.5%，并且实现了高达70%以上的可见光透过率。
这一结果超越了以往二氧化钒热致变色和电致变色智能窗的实验结果，甚至突破了传统二氧化钒温控智能窗红外调控能力的理论极限，大大提高了基于二氧化钒的“智能窗”应用可能性。相关技术已经申请一项发明专利。
素材来源：中国科学技术大学
