南方科技大学孙大陟团队、香港理工大学王钻开团队 ACS Nano：增强型辐射制冷材料实现温度自适应热管理

2023-02-10 来源：高分子科技

被动辐射制冷（passive radiative cooling）作为一种无需能量输入的新兴制冷技术，在应对能源危机与降低能耗领域具有巨大的潜力。近年来，有关被动辐射制冷的研究已经得到了广泛的报道。应用于日间的辐射制冷材料不仅需要尽可能多地反射太阳光以减少能量的获取，还需要向低温的宇宙辐射更多的热量。因此，高性能的日间辐射制冷材料需要在太阳光谱范围（0.3-2.5 μm）内具有高反射率，在中红外波长范围内，尤其是在大气窗口 (8-13 μm)，具有高发射率。但是，近些年对日间辐射制冷的研究主要着重于提高其在不同环境下的制冷性能，以至于忽略了不断提高的制冷性能会在夜间造成过冷现象。因此，在实现有效日间制冷的同时避免夜间过冷对于辐射制冷材料的应用具有重要意义。

近日，南方科技大学孙大陟副教授团队和香港理工大学王钻开教授团队合作报道了一种增强型辐射制冷材料，该材料通过集成被动辐射制冷和室温相变材料的温度控制能力，实现了有效的温度自适应热管理。与传统的辐射制冷材料相比，该增强型辐射制冷材料（PCMRC）可以根据昼夜温度自主地调节其性能。在温度较高的白天，PCMRC展现出相变材料制冷和辐射制冷的双重制冷效果，从而获得更大的低于环境温度的温降。而在温度较低的夜晚，PCMRC则表现出相变材料制热和辐射制冷的综合作用，从而在整体上取得一个削弱的降温效果，有时甚至可以获得高于环境温度的温升，这有效地避免了辐射制冷材料在应用过程中过冷现象的出现。实际户外测试中，PCMRC在阳光直射条件下温度平均下降了6.3 °C，这比传统辐射制冷材料对比样的温度要低2.2 °C。在夜间，PCMRC的平均温度比环境温度高2.1 °C，而传统辐射制冷材料对比样的温度仍然低于环境温度。此外，户外测试结果也表明，PCMRC可以取得更小的昼夜温差，有希望减弱了昼夜温差过大带来的不适。该研究为被动辐射制冷的性能调节，以及扩展被动辐射制冷的应用提供了一种新的思路。

图1. PCMRC的设计和工作原理。（A）2022年10月在深圳进行的连续的24小时实时温度测量。温度曲线表明，夜间环境温度较低，而白天环境温度相对较高。（B）PCMRC的工作原理。（C）PCMRC的实物图及其双层结构。

图2. 辐射制冷材料的光谱表征。（A）RC和PCMRC在太阳光谱范围内的光谱反射率。（B）RC和PCMRC在中红外波长范围内的光谱发射率。

图3. 辐射制冷材料在户外的制冷性能。（A）2022年4月4日至5日在深圳进行室外测量期间的环境、RC 和 PCMRC 的温度。（B）环境与 RC/PCMRC 在日间的温差。（C）环境与 RC/PCMRC 在夜晚的温差。

图4. 净制冷功率的计算。RC在白天（A）和夜间（B）环境温度为298K时，在不同非辐射传热系数（h_{non-radiative}）条件下的净制冷功率。PCMRC在白天（C）和夜间（D）环境温度为298K时，在不同非辐射传热系条件下的净制冷功率。

图5. 辐射制冷材料的热性能。在加热板上，STRC和PCMRC的表面温度（A）和红外图像（B）。在制冷板上，STRC和PCMRC的表面温度（C）和红外图像（D）。

该成果以“Phase Change Material Enhanced Radiative Cooler for Temperature-Adaptive Thermal Regulation“为题发表在《ACS Nano》上。南方科技大学孙大陟副教授和香港理工大学王钻开教授为该论文共同通讯作者，南方科技大学与香港城市大学联合培养博士生杨猛为该论文第一作者。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c11916

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（责任编辑：xu）

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