中南大学邱羽、李庆团队Small Science：可实现全天动态被动制冷的智能柔性多孔双层膜

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研究背景

空间制冷设备在现代家庭中发挥着不可替代的作用。然而，目前广泛使用的空调等制冷设备主要依靠蒸汽压缩制冷循环进行制冷，其能耗和碳排放量都相当高。2022年，蒸汽压缩制冷设备消耗了全球约8%的电能，并排放了1.02 Gt的二氧化碳。为了降低能耗和碳排放量，被动制冷技术，如天空辐射制冷和蒸发制冷等无能耗技术，正受到广泛研究与关注，并有望在未来部分替代蒸汽压缩制冷技术。

天空辐射制冷技术是近年来发展起来的一种制冷技术，它一方面利用物体在太阳光谱内的高反射率来将入射的太阳能反射到环境中，减少物体对太阳能的吸收，另一方面利用物体在大气窗口(8~13μm)内的高红外发射率，通过辐射传热的形式将热能传递给低温(~3K)的宇宙空间，从而实现对屋顶等物体的降温。该技术无需外部能量输入，具有显著的节能优势。然而，目前该技术的净制冷功率较低(< 200 W·m⁻²)，且在云遮蔽条件下难以实现制冷。此外，现有的天空辐射制冷技术大多无法根据外界环境温度的变化来调节自身制冷性能。在冬季或低温环境下，其可能出现过度冷却，从而增加建筑能耗。因此，如何提高天空辐射制冷技术的净制冷功率并开发具备动态调节功能的制冷设备，是未来研究的重要方向。

蒸发制冷技术是一种利用水等介质进行蒸发吸热来实现制冷的技术。与天空辐射制冷技术相比，蒸发制冷技术具有更高的制冷功率，且对环境条件无特殊要求，因此在电子设备等的冷却中得到了广泛应用。然而，一方面，当将该技术应用在建筑上时，需要采用专门设备对其进行实时补水，增加了设备制造和维护成本；另一方面，当阳光直接照射到水上时，水会吸收大量热量，导致水温和屋面温度升高，无法达到理想的制冷效果。因此，需要进一步地改进蒸发制冷技术存在的上述问题，以提高其制冷性能和适应性。

针对以上两种技术面临的问题，中南大学邱羽副教授和李庆教授团队将辐射制冷和蒸发制冷技术进行耦合设计，发展了一种可实现全天动态被动制冷的智能柔性多孔双层膜。该双层膜可克服天空辐射制冷技术制冷功率不高、不能动态调节制冷模式，以及蒸发制冷技术水的补水困难、受光吸收影响大等问题，实现了全天智能动态被动制冷，为被动制冷技术的发展提供了新见解。

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文章概述

辐射制冷和蒸发制冷技术都是无需额外能量输入的绿色制冷技术。然而，现有辐射制冷技术存在制冷功率不高、不能动态调节制冷方式，蒸发制冷技术存在不能自动补水、受光吸收影响等问题，限制了它们的实际应用。鉴于此，本文通过耦合辐射制冷和蒸发制冷技术，设计了一种能实现高效全天动态被动制冷的柔性多孔双层膜。该双层膜的上层是一种多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，其实现了高达0.930的太阳光反射率和0.952的红外发射率，从而实现了高效的辐射制冷。双层膜的下层是一种水凝胶，其兼具优异的蒸发性能和从空气中吸收水分的能力，能够在实现蒸发制冷的同时自动从环境中吸收水分，从而实现了高效的动态蒸发制冷。此外，上层的多孔膜既可保护下层水凝胶，使其免受阳光直射，又可使水汽通过，保证水凝胶能无障碍地从空气中吸水。因此，将上层膜的天空辐射制冷能力和下层膜的动态蒸发制冷能力相耦合，可实现优异的动态制冷性能。晴天时的户外实际制冷实验结果表明，在高温和高太阳辐射的中午时段，双层膜的最高制冷功率可达424.4 W·m⁻²，其冷却温度可比环境温度低10.4 °C；在低温的夜晚，双层膜的温度可比单一上层辐射制冷膜的温度高1.09 ℃ ~ 3.96 ℃，有效地防止了过度制冷。连续3天高温多云天气下的实验结果表明，在高温中午时段内，双层膜的冷却温度可比环境温度平均低3.7 °C，其制冷功率可达650.6 W·m⁻²；在高温的夜晚，双层膜与单一上层辐射制冷膜的制冷性能相当，二者冷却温度的差值仅为0.2 ℃ ~ 1.0 ℃。上述结果表明，利用本文所提出的双层膜，可有效地耦合辐射制冷和蒸发制冷技术，从而实现高效、持续和智能的动态被动制冷。

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图文导读

图1全天高效动态被动制冷智能柔性多孔双层膜的设计方案和工作原理.

图2智能柔性多孔双层膜的制备流程图. (a) 基于盐模板法制备多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的流程示意图. (b) 水凝胶的制造流程示意图，其包括：凝胶化、反复冷冻和解冻、冷冻干燥和吸湿剂的加载.

图3智能柔性多孔双层膜的结构和性能. (a) 从左至右：多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，水凝胶，双层膜. (b) 双层膜具有优异的柔韧性，在向各个方向扭曲后可以很容易地恢复其原始状态. (c)-(d) CuCl2液滴分别滴在双层膜和铝板上的滑落情况，插图显示双层膜表面的水接触角为125.0°，表明其良好的疏水性. (e) PDMS的SEM图像.

图4多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜的光学特性. (a) 不同盐与PDMS前驱体质量比下制作的2mm厚多孔PDMS的光谱反射率. (b) 优化后的多孔PDMS在太阳光波段的光谱反射率及在大气窗口波段的光谱发射率. (c) 多孔PDMS孔隙对阳光的有效散射示意图. (d) PDMS中不同直径孔隙在不同波长下的散射效率. (e) 直径为0.3、3.0和10.0μm的孔隙周围的电场云图.

图5水凝胶的结构与性能. (a) 水凝胶的实物图片，插图显示其水接触角为20.2°，表明水凝胶良好的亲水性. (b) 水凝胶的SEM图像. (c)-(d) 水凝胶因吸收(在15 °C环境下)和蒸发(在45 °C环境下)引起的质量变化. (e) 水凝胶覆盖和没有覆盖多孔PDMS时在45 °C，40%RH环境下蒸发引起的质量损失曲线.

图6智能柔性多孔双层膜在晴天(2023年3月5日)的被动制冷性能. (a) 户外测试装置的示意图. (b) 双层膜、多孔PDMS、铝板(Al)和环境的温度变化曲线以及环境对应的相对湿度变化曲线. (c) 双层膜和多孔PDMS的制冷性能以及对应时段的太阳辐照强度. (d) 双层膜和多孔PDMS的制冷温度以及对应时段的太阳辐照强度. (e) 双层膜与最近报道的一些结构在中午的被动制冷性能对比. (f) 双层膜在整个测试期间的质量变化.

图7智能柔性多孔双层膜在连续3个阴天内的被动制冷性能. (a) 第一个阴天(2023年7月27日，下同)10:00-14:00期间的环境温度、相对湿度和太阳辐射强度. (b) 第一个阴天10:00-14:00期间的双层膜、PDMS和环境的温度变化曲线. (c) 第一个阴天10:00-14:00期间的双层膜、PDMS的制冷温度变化情况. (d) 第一个阴天10:00-14:00期间双层膜的制冷功率. (e) 第一个阴天19:30-05:30期间双层膜、PDMS和环境的温度变化曲线. (f) 第一个阴天19:30-05:30期间双层膜、PDMS的制冷温度变化情况. (g) 所有样本和环境在连续3个阴天(2023年7月27日5:30至7月30日5:30)的温度变化情况.

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结 论

本文研制了一种可实现全天动态被动制冷的智能柔性多孔双层膜，其一方面实现了高达0.930的太阳光反射率和0.952的红外发射率，从而实现了高效的天空辐射制冷；另一方面，其兼具优异的蒸发和吸水能力，可在制冷的同时自动从空气中吸水，从而实现了高效动态蒸发制冷。在晴朗天气的中午时段，双层膜的制冷功率可达424.4 W·m⁻²，制冷温度可比环境温度低10.4 °C；在晴朗低温的夜晚，双层膜冷却温度可比单一辐射制冷膜高1.09 ℃ ~ 3.96 ℃，可有效防止过度冷却。在连续3天高温多云条件下，双层膜在中午时段的冷却温度比环境温度平均低3.7 °C，其制冷功率可达650.6 W·m⁻²；在高温的夜晚，双层膜可实现和单一辐射制冷膜几乎一样的性能，其制冷温度差异仅为0.2 ℃ ~ 1.0 ℃。上述结果表明，利用柔性双层膜将辐射制冷和蒸发制冷技术相耦合，能够实现高效、持续和智能的动态被动制冷。

声 明：该文的推送已得到作者授权

文章参考文献格式：Hu Z, Qiu Y, Zhou J, Li Q. Smart flexible porous bilayer for all‐day dynamic passive cooling[J]. Small Science, 2024: 2300237. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202300237

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