随着全球气温持续上升，如何实现高效、环保的温控，特别是高温环境下的降温管理，已成为节能减排的重要方向。传统的空调和冷却系统不仅能耗巨大，还会产生大量碳排放，利用辐射制冷技术能真正实现“零能耗”冷却。近年来，各类聚合物基辐射制冷材料不断涌现，但在制备过程中常面临两个重要问题：（1）制备多孔散射结构需使用大量有毒溶剂；（2）纳米填料在聚合物基体中，尤其是高粘度聚合物熔体中，容易聚集而难以均匀分散，制约了聚合物基辐射制冷材料拓展应用。

  近日，郑州大学材料科学与工程学院王建峰副教授/王万杰教授团队提出了一种环保、低成本的加工方法—利用普适的熔融加工工艺，在无溶剂条件下实现多孔聚合物纳米复合材料的原位制备。研究人员选用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为基体，加入廉价且环保的碳酸氢钠（NaHCO?）粉末，在高温条件下，NaHCO?发生热分解，释放出二氧化碳形成微孔（平均尺寸约2.72? μm），同时转化为碳酸钠（Na?CO?）纳米颗粒均匀分散于聚合物基体内（平均尺寸约228 ?nm），从而构筑出微孔与纳米颗粒相结合的分级结构。该策略不仅避免了溶剂使用带来的环境污染，还可调控材料内部孔隙率和纳米颗粒的分布情况，赋予复合材料高太阳反射率（94.2%）和高中红外发射率（94.5%），实现优异的被动辐射制冷性能。户外测试表明，复合材料（FPCS）在高温环境下可使温度下降约6.8°C，在极端高温（>52°C）条件下仍保持2.0°C的降温效果，展示了其在高温条件下的应用潜力。此外，FPCS在零度以下的环境中也能实现高效的亚环境降温，在建筑节能、冷却水、防止冰川融化等场景中展现较好的冷却效果。通过模拟实验进一步验证了FPCS在全球范围内的节能潜力，其可显著降低冷却能耗。本研究通过熔融加工一步法原位构筑微孔与纳米颗粒相结合的分级结构，制得高反射、高发射的多孔聚合物辐射制冷纳米复合材料，制备过程环境友好、成本低且易规模制造，为制备辐射制冷高分子复合材料提供了新方法。该研究以“Melt-processed, one-step, in-situ hierarchically structured porous polymer nanocomposite for radiative cooling in hot weather”为题发表在《Small》上（doi/10.1002/smll.202500020）。

图1. (a) FPCS的制备过程示意图及其基于熔融加工原位形成微孔/纳米颗粒分级结构的基本机制。(b)熔融加工制备的FPCS。(c, d) FPCS的SEM图。(e) FPCS的能量色散谱（EDS）元素分布图。(f) 不同孔径微孔的散射效率对比。(g) FPCS内原位形成微孔的散射效率。(h) FPCS内原位形成Na?CO?纳米颗粒的散射效率。(i) 在不同入射角下的太阳反射率变化。(j) FPCS在0.3至20 μm波段的实测太阳反射率及中红外发射率光谱。

图2. (a)户外辐射冷却实验装置示意图。(b) 户外辐射冷却实验装置实物图。(c)连续24小时太阳辐照强度实时监测曲线。(d)连续24小时相对湿度实时监测曲线。(e) FPCS温度变化实时监测曲线。(f) 白天正午时FPCS理论冷却功率。(g) 夜间FPCS理论冷却功率。(h) 不同聚合物辐射制冷材料的溶剂使用情况、光谱特性及冷却功率性能对比。

图3. (a)户外蓄冰实验装置示意图。(b) FPCS腔室、金属腔室及环境温度在连续4小时内的实时监测温度曲线。(c) FPCS腔室与金属腔室内冰质量损失曲线。(d) 连续4天实验后FPCS覆盖的冰雪与裸露冰的状态变化对比实物图。(e) 户外水冷实验的实时温度监测。(f) 正午时段连续4小时内冷却水温度及太阳辐照强度的实时监测曲线。(g) FPCS在水冷过程中实时监测的冷却功率变化。

图4. (a) FPCS在炎热天气条件下进行连续72小时户外冷却实验。(b) FPCS与环境温度的温差对比。(c) 白天FPCS的实时辐射冷却功率。(d) 夜间 FPCS的实时辐射冷却功率。(e) 在全球范围内覆盖FPCS的建筑节能能力模拟结果。(f) FPCS在10个代表性国家和地区的冷却节能效果及节能效率对比。(g) 全球不同地区建筑外表面覆盖FPCS后的二氧化碳排放减少潜力。(h) 10个代表性国家和地区电力节能效率分析。

  此外，为解决传统纺织品热调节能力有限，难以在高温高湿气候条件下实现热舒适的问题，该团队开发了在高湿度、高温和透气条件下表现出卓越冷却性能的具有分层核壳微/纳米结构的相变氟化聚氨酯-氮化硅透气纤维纺织品（PFSM），用于炎热和潮湿条件下个人冷却降温和热舒适管理。PFSM由聚乙二醇核和通过同轴静电纺丝制备的聚氨酯/Si₃N₄壳组成。PFSM纺织品具有高太阳反射率（91%）、高红外发射率（92%）、高导热率（4.504 W m^-1 K^-1）和增强热函（43.3 J/g），集辐射冷却、相变和热传导于一体。与传统棉织物相比，在环境温度28.2℃、湿度超过50%的日间湿热条件下，PFSM纺织品可使人体皮肤温度下降10.7℃。此外，PFSM纺织品具有透气性、良好的生物相容性、优异的热诱导形状记忆效应，有助于其在各种场景中个人热管理应用，为高温高湿环境下实现皮肤透气降温热舒适提供了可行策略。相关成果以“Hierarchically core-shell nanofiber textiles for personal cooling in hot and humid conditions”为题发表在《Nano Energy》上（doi/10.1016/j.nanoen.2024.109400）。

图1. (a) 集太阳光反射、选择性热辐射发射、热传导和PCM储热于一体的热调节功能PFSM纺织品示意图。(b) PFSM制备过程示意图。

图2. PFSM的形态和光学特性。(a) 同轴静电纺丝制造的PFSM实物照片。(b) PFSM膜的SEM图。(c) 膜纤维直径统计分布。(d) PFSM 的能量色散光谱映射图。(e) 90℃水洗48小时处理的核壳结构相变复合纤维的SEM图。（f）PFSM纤维的TEM图。(g) PFSM的复光谱折射率 (n+ iκ)。(h, i) PFSM的模拟太阳散射效率。(j) PFSM的FTIR光谱。(k) PFSM的HBIR发射率。(l) PFSM太阳光反射率。

图3. PFSM的热性能。PFSM的DSC加热(a)和冷却(b)曲线、熔化和凝固焓(c)以及温度(d)。(e) 第50次熔融-凝固循环后的DSC 曲线。(f) PFSM的导热率。(g) PFSM和PEG@FPU膜从临时弯曲形状恢复到原始直形的实物照片。(h) PFSM 和PEG@FPU的形状恢复率随着恢复时间的增加而变化。

图4.（a）不同材料对志愿者前臂的皮肤刺激结果示意图：（1）棉、（2）渗透性PTFE薄膜、（3）非渗透性PTFE薄膜、（4）非渗透性FPU薄膜、（5）透气FPU薄膜和（6）PFSM薄膜。(b) PFSM透气性演示。PFSM的空气渗透率(c)和水分渗透率(d)。(e) PFSM在卷曲、折叠和打结条件下（上）以及形状恢复前后（下）的实物照片。(f) FPU、PEG@FPU和PFSM的应力-应变曲线。(g, h) FPU、PEG@FPU和PFSM的DMA曲线：(g) 储能模量(E'')、(h) tan δ与温度的关系。

图5. PFSM的冷却性能。(a) 用于测试室外冷却性能的装置的示意图和实物图。(b, d, f) 棉花、模拟裸露皮肤、FPU/ Si₃N₄、PFSM和环境空气以及太阳辐照度的温度数据。(c, e, g) PFSM与模拟裸露皮肤、棉花、FPU/Si₃N₄在不同湿度水平下的温度差异。(h) 在棉花和PFSM 纺织品上方和下方使用热电偶的室内冷却性能。(i) 裸露皮肤、棉花和 PFSM 的平衡稳定温度。穿着棉布（左）和 PFSM（右）的人在室外环境中的(j)光学照片和(k)红外图像。

图6. PFSM在便携式电子设备中的实际冷却应用。(a)裸电子设备和(b) PFSM覆盖电子设备的工作原理示意图。(c) 冷却电子设备的实验装置示意图。(d) 实时监测覆盖有PFSM裸机备用便携式充电器的温度曲线和太阳辐照度。(f)实时监测PFSM的温度曲线和太阳辐照度，覆盖裸露的便携式充电器连接到电子设备进行充电。(e, g) 在不同湿度条件下 PFSM与充电器的温差。(h)手机屏幕覆盖PFSM的照片。(i) 阳光直射下快速充电不同时间，覆盖PFSM的手机屏幕热像图。

  近年来，郑州大学王建峰副教授/王万杰教授团队面向国民经济与国防安全重大需求，围绕热在辐射过程中的科学问题，聚焦热辐射操控高分子功能复合材料开展系列研究，通过多尺度形态结构设计和微纳加工复合成型，调节高分子材料在紫外-可见-近红外-中红外波段（0.3-20 μm）的光谱发射/吸收/反射特性，构筑了具有可见光透明/不透明低红外发射、低红外发射/高太阳吸收、高红外发射/高太阳反射、高红外发射/高太阳吸收等光谱特性的系列热辐射操控高分子功能复合材料，实现高效辐射热管理，探索了其在热辐射伪装与红外隐身（Adv. Funct. Mater. 2025, 202421347；J. Mater. Chem. A, 2025, 13, 8654；Mater. Horiz., 2023, 10, 235；Nano Res. 2023, 16, 3326；Nano Energy 2022, 97, 107177；ACS Nano 2021, 15, 11396；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101381,etc）、辐射加热与制冷（Adv. Sci. 2024, 11, 202308200；ACS Nano 2023, 17, 2029；Small 2025, 2500020；Nano Energy 2024, 123, 109400；J. Mater. Sci. Technol. 2023, 133, 32; Compos. Part A. 2023, 164, 107311; Compos. Part A. 2022, 156, 106883, etc）等方面的应用。以上研究得到国家自然科学基金、中原科技创新青年拔尖人才、河南省优秀青年基金、中国博士后特别资助、河南省联合基金优势学科培育项目、河南省科技攻关与重点研发专项、郑州大学优秀青年人才创新团队等项目支持。

  原文链接：

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202500020

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109400