在全球能源危机与“双碳”战略目标的双重驱动下，开发不依赖外部能源的被动式热管理技术已成为科研界关注的焦点。辐射冷却技术因能将热量通过大气窗口（8–13 μm）直接发射至寒冷的外太空（约3 K），且不消耗额外能源，被广泛视为一种极具前景的零能耗冷却方案。然而，传统辐射冷却材料在面对昼夜交替和季节变化时，存在冷却性能不稳定、夜间过冷以及高温天气下热失控等瓶颈问题，严重制约了其在实际建筑和户外场景中的广泛应用。

  近期，北京化工大学汪晓东教授、刘欢副教授团队报道了一种双层气凝胶复合材料设计策略。该策略对辐射冷却层与相变储能-隔热层实现功能分离与协同集成，有效解决了传统材料在日间冷却效率与昼夜温度均衡调控之间存在的矛盾。

  2026年9月7日，相关工作以 “PhaseChange Microcapsules Enable PolyoxymethyleneFiberBased Aerogels with Enhanced SubAmbient Radiative Cooling and AllDay Thermal Management” 为题发表。论文共同第一作者为已毕业硕士研究生董雨濛与博士研究生史涛，通讯作者为汪晓东教授、刘欢副教授以及开滦煤化工研发中心马小丰正高级工程师。该研究得到河北省重大科技支撑计划项目绿色化工产业创新专项的资助。

【研究背景】

  辐射制冷可借助大气透明窗口（8–13 μm）向宇宙外太空散发热量，无需额外能耗。该技术被认为是极具发展前景的零能耗热管理技术，已应用于可穿戴器件、建筑、太阳能电池板以及食品冷却等多种场景。要实现高效热管理，辐射制冷材料需要在大气窗口区间具备高热发射率，同时在太阳光谱（0.3–2.5?μm）区间具备高反射率。高的热发射率能够最大化向低温外太空（约 3?K）输出热辐射，实现向外界环境散热，进而产生制冷效果；高反射率则可最大限度降低户外环境下的太阳能热增益，提升太阳光直射条件下的制冷效率。针对上述性能需求，研究人员通过分子设计与微结构设计（多层结构、多孔结构、复合材料等）开发各类辐射制冷材料。材料在大气窗口内的辐射发射特性本质上取决于分子化学键与官能团，不同化学键、官能团在各波段表现出差异化的振动吸收与发射特征。例如C?O?C、Si?O?Si、Si?O?C、Ti?O、C?F 等化学键的振动吸收与发射频率落在大气窗口范围内，对应高发射性能。基于此，科研人员开发出多种高性能辐射制冷材料，包括聚合物基材料（聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等）、无机基材料（硫酸钡、二氧化钛、二氧化硅等），以及聚合物无机复合材料（聚偏氟乙烯 / 二氧化钛、纤维素 / 二氧化硅等）。近年来该领域取得诸多重要进展。例如，以天然木材为原料制备出具有分级晶体纳米结构的高强度辐射制冷生物复合材料，兼具优异力学性能与 106?W/m2 的制冷功率。与此同时，利用非溶剂诱导相分离工艺制备出辐射性能可调、可成型的耐磨矿物水塑材料，适用于自适应建筑场景。在辐射制冷技术蓬勃发展的同时，气凝胶工程领域同样成果显著，代表性突破为一种革新性的粉末转纤维制备策略，可构筑集热学、力学、电磁功能于一体的分级结构陶瓷气凝胶。

【创新成果】

  为应对现有辐射制冷材料在昼夜温度波动方面所面临的巨大挑战，汪晓东教授研究团队设计了一种双层气凝胶复合材料（图1）：外层为聚甲醛（POM）纤维基气凝胶，内层为掺入相变微胶囊（MEPCM）的海藻酸钠（SA）基气凝胶。该结构在提升辐射制冷能力的同时，兼具隔热与热缓冲作用。该研究的核心创新在于功能分离的双层结构设计，外层的POM纤维/SA/SiO₂复合气凝胶负责高效的辐射冷却；内层的SA/MEPCM复合气凝胶负责热缓冲与隔热。这种设计确保了每一层都能最大化其特定功能：外层的POM纤维通过其分子链中的C–O–C键提供本征的大气窗口高发射率，而SiO₂纳米颗粒则通过米氏散射显著增强对太阳光的反射；内层的MEPCM则利用其固–液相变过程，在日间吸收并储存多余的太阳热能，抑制温度急剧上升，在夜间则释放储存的热量，缓解过冷现象。

图 1 双层气凝胶复合材料的设计构思、辐射冷却机制及结构特点示意图。

（1）外层气凝胶：跨尺度协同设计赋能高效辐射冷却与本质阻燃

  该研究通过POM/SA/SiO₂复合气凝胶的跨尺度结构设计，使得材料的太阳光反射率高达93.53%（0.3–2.5 μm）、大气窗口发射率高达96.11%（8–13 μm）。在光学性能优化上，SiO?纳米颗粒的引入显著提升了材料的太阳光反射率。当添加量为40 wt.%时，平均反射率达93.53%，较未添加样品（88.34%）提升明显。其物理本质在于：SiO?颗粒粒径与太阳光谱高度匹配，通过米氏散射效应将有效散射范围从可见光区（0.3–0.8 μm）拓宽至近红外区（0.3–1.0 μm），极大抑制了太阳辐射热增益。与此同时，所有样品在大气窗口（8–13 μm）的发射率均稳定在95%以上，这归因于POM的C–O–C键、SA的C–O/C=O键以及SiO₂的Si–O键（约1100 cm^-1）等特征振动吸收带恰好落于大气窗口波段，为材料提供了丰富的本征红外发射位点。该材料最核心的设计思想在于“跨尺度协同”：在微观尺度上，气凝胶的多级层状孔道结构使入射光在骨架与孔隙界面间发生反复散射，延长光程；在纳米尺度上，附着于骨架表面的SiO₂颗粒进一步强化了散射效率，将反射性能推至最优；在分子尺度上，多重化学键的振动吸收带覆盖大气窗口，确保了高效的热辐射发射。三者协同，使该气凝胶的日间净冷却功率达到108.53 W·m^-2，实现了最佳辐射冷却表现。

  在安全性能方面，该材料同样展现出巧妙的设计逻辑。针对POM纤维易燃的固有缺陷，研究团队利用SiO₂纳米颗粒构建了“气-固双相”协同阻燃机制：燃烧初期，SiO₂形成物理陶瓷隔离层，阻隔热流；同时SA基体分解释放CO₂和H₂O稀释氧气，并促进致密芳构化炭层的生成，隔氧隔热。这一机制使POM/SA/SiO₂气凝胶在垂直燃烧测试中表现出优异的阻燃性，解决了高反射材料往往易燃的共性矛盾，为其在建筑和可穿戴领域的实际应用提供了安全保障。

图2 POM/SA/SiO₂气凝胶的（a）太阳光反射率与中红外发射率；（b）平均反射率；模拟散射效率与孔径的关系：（c₁）POM/SA，（c₂）POM/SA/SiO₂（0.3–2.5 μm）；（d）40 wt.% SiO₂样品的CIE色度坐标；（e）大气窗口（8–13 μm）平均发射率；（f）微观结构及特征化学键振动引发的光散射与红外辐射示意图；（g）纯SA、POM/SA（60 wt.% POM）及POM/SA/SiO₂（40 wt.% SiO₂）气凝胶垂直燃烧测试照片；（h）POM/SA/SiO₂气凝胶阻燃机制示意图。

（2）双层气凝胶复合材料的构筑与热管理性能验证

  内层SA/MEPCM气凝胶在保持高潜热焓值（159.8 J·g^-1）的同时，其热导率仅为0.0678 W·m^-1·K^-1，远低于普通相变材料。这种低热导率有效阻止了外界环境热量向建筑内部的传导，是保证辐射冷却效果不被“热入侵”削弱的关键。

  为量化评估其冷却性能，研究团队搭建了定制测试平台（图3c），在模拟太阳光照下记录样品底部亚环境温度与腔体环境温度。结果显示（图3d），厚度为1、2、3、4 cm的复合材料，其亚环境温度最高值分别为49.4°C、47.8°C、43.5°C和38.7°C，均远低于腔体环境温度（57.3°C）。更厚的复合材料因更强的隔热能力，能更有效地延缓热量从腔体向底部的传导。尤为关键的是，在光照与自然冷却阶段均观察到两个明显的温度平台，分别对应于MEPCM的熔融吸热与结晶放热过程，且厚度越大，平台持续时间越长，直接印证了相变材料在热管理中的核心调控作用。

图 3 双层气凝胶复合材料的（a₁）结构示意、（a₂,a₃）层间界面SEM图像、（b）轻质展示；（c）测试装置示意；（d）不同厚度（1–4 cm）样品在模拟光照及自然冷却下的温度变化；（e）户外测试实物图；（f）北京户外实测不同厚度样品的温度变化及（g）对应温差；（h）有无MEPCM样品在模拟光照（3 h）及自然冷却下的温度变化；（i）户外实测有无MEPCM样品的温度变化及（j）对应温差关系。

  户外实测：在北京2025年9月23—24日的晴朗户外实测中（平均湿度49.6%，平均日照强度465.9 W·m^-2），所有样品在日间均保持亚环境温度低于腔体环境温度，验证了其实际辐射冷却能力（图3f）。正午11:46，腔体环境温度峰值达46.2°C，而1–4 cm样品的底部温度分别为37.9°C、30.4°C、30.0°C和27.9°C，对应的ΔT为-8.3°C、-15.8°C、-16.2°C和-18.3°C（图3g）。这一卓越的冷却效果源于外层的93.53%太阳反射率与96.11%大气窗口发射率，同时内层MEPCM的潜热吸收进一步延长了冷却时效。夜间，储存的热量缓慢释放，4 cm样品实现+9.3°C的温升，有效避免了过冷问题。

  相变微胶囊的削峰填谷式贡献：对比不含MEPCM的对照样品（图3h），含MEPCM的双层气凝胶在模拟光照下将升温过程延缓了1.2小时，冷却阶段则将降温过程延缓了1.4小时，清晰展示了其“削峰填谷”的热缓冲效应。户外数据进一步表明（图3i），含MEPCM样品在日间光照下呈现长达2.7小时的温度平台，最大ΔT达?18.3°C，比不含MEPCM的样品低8.0°C；夜间则出现第二个平台（18:02—21:42），释放白天储存的光热能量。

  在净冷却功率方面，含MEPCM的双层复合材料日间达136.05 W·m^-2，显著高于外层单独的108.53 W·m^-2，这归功于MEPCM通过固–液相变对光热能量的吸收与暂存；而夜间其净冷却功率低于外层，则是因MEPCM结晶放热补偿了辐射热损，降低了净散热效果。这一日夜差异恰恰验证了相变材料在实现全天候热舒适中的双向调节作用。

（3）普适性建筑节能潜力评估

  为了进一步验证其实际应用价值，研究团队利用EnergyPlus^®软件模拟了一栋六层办公建筑（屋顶及外墙总面积3735 m²），将双层气凝胶复合材料应用于中国15个不同气候城市的建筑节能效果。结果显示：在夏季制冷模式下，全国15个城市平均可实现23.78%的制冷能耗节约。在制冷需求巨大的三亚，单位面积节能量高达62.45 MJ·m^-2。在代表性城市北京，从5月至9月的制冷季节中，总能耗降低了14.1%。需特别说明的是，含MEPCM双层复合材料的净冷却功率数值为等效稳态值，仅供性能对比参考。物理实质上，MEPCM并不产生额外辐射通量，而是通过固–液相变提供瞬态热缓冲——日间熔融吸热抑制温升，夜间结晶放热缓解过冷。

  该研究通过巧妙的双层功能分离设计，首次将相变微胶囊的本征“热缓冲”特性与聚甲醛纤维的“辐射制冷”特性在气凝胶体系中实现协同，为开发下一代无能耗、自适应、全天候的建筑热管理材料提供了全新的思路和坚实的理论依据。

图 4 双层气凝胶复合材料在（a）日间和（b）夜间的净冷却功率；（c）MEPCM组分的热缓冲工作原理；（d）北京及（e）全国15城市5–9月基准建筑与应用该复合材料建筑的制冷能耗与节能量；（f）全国制冷节能潜力分布图。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78181