ACS Nano: 动态可调控辐射制冷研究综述

论文信息：

Xuzhe Zhao, Jiachen Li, Kaichen Dong, and Junqiao Wu. Switchable and Tunable Radiative Cooling: Mechanisms, Applications, and Perspectives, ACS Nano, 18 (2024), 18118-18128.

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05929

研究背景

美国建筑物每年的能源消耗成本超过4300亿美元，其中约48%用于空间热管理，揭示了对建筑物和住宅进行高效热管理的迫切需要。每年超过51%的家庭场所能源消耗用于空间供暖和制冷。因此，开发和部署环保的热调控技术已成为我们社会的迫切需求。辐射冷却技术与蓬勃发展的光子学和微加工技术相结合，通过大气窗口将辐射热量传递到外层空间，实现无能耗冷却。为了在温度变化较大的气候中追求全天候节能，近年来出现了动态可调控的辐射冷却器（STRC），并迅速引起了广泛关注。本文介绍了现有的STRC技术，并分析了其在未来大规模应用中的优势和挑战，为未来STRCs的发展提出了建议。

研究内容

根据具体的物理机制和原理，STRCs可以分为几类，如图1所示：温度自适应、湿度自适应、电压控制和电机控制。这些冷却器适用于多种领域，包括屋顶、窗户、墙壁和高级纺织品以及电动汽车和航空航天领域。

温度自适应STRCs可以根据温度变化动态调节其红外发射率，包括双模双晶结构、相变材料（PCM）和形状记忆合金（SMAs），图1(a)说明了温度自适应STRCs的调控方法。当用作屋面材料时，在低温下，温度自适应STRC在MIR波段（尤其是大气透明窗）的发射率相当低，可以有效地保持建筑物的温暖。当温度升高时，由于折射率的剧烈变化，它会自动切换到高发射模式，从而实现强辐射冷却。

湿度自适应是实现被动STRCs的另一种方式。这种辐射冷却器可以作为智能织物用于个人热管理，因为人体在温度升高时会分泌汗水。图1(b)展示了湿度自适应STRCs的调节方法。在低温下，水分配比极少，而对湿度敏感的STRC纤维之间的距离大，导致电磁耦合较弱，发射率低。反之，当温度升高时，水分增加，湿敏纤维之间的距离减小，导致电磁耦合增强，发射率高，辐射冷却性能优异。

图1(c)展示了一种常见的电压控制STRCs调制方法和原理，在炎热的季节，顶部的红外透明电极和底部高发射率的水电解质可以通过辐射冷却有效地散热。而在寒冷季节，施加反向电压会导致金属层在上表面沉积，从而产生低发射率。

机械制动方法也可用于辐射冷却器的动态调节，类别包括翻转式，拉动式。翻转式是手动翻转Janus膜，其两个表面具有不同的红外发射率：一个用于辐射冷却，另一个用于太阳能加热。除了翻转，拉动也是有效的开关辐射冷却器。图1(d)说明了一个在寒冷的季节，电机拉出低辐射率涂层以保持混合物温暖。而在炎热的季节，电机拉出高发射率涂层以促进辐射冷却。

图1.STRC中使用的四种主要调节方法示意图。（a） 温度自适应。（b） 湿度自适应。（c） 电压控制。（d） 电机控制。

热发射率调制深度（ΔεTE）是优化STRCs的另一个重要指标，它决定了STRCs全年的总节能量或热舒适性。作为一种相变材料，VO2被整合到微纳结构中以增强ΔεTE，从而产生基于VO2的多层膜、核壳和超表面结构。尽管如此，ΔεTE仍有进一步改进的空间，如图2所示。

图2.基于 VO2 的 STRC 的典型结构及其性能：多层、超表面和核壳。

大多数传统的静态辐射冷却器仅设计用于冷却，因此它们大多是白色的，用于可见光谱中的宽带反射，以最小化太阳吸收率。然而，STRCs同时兼具保温和被动冷却的作用，因此对于各种气候，它们的太阳能吸收应该得到优化，而不是简单地最小化。另一方面，由于客户的审美要求，彩色STRC越来越受到人们的关注。为了实现彩色STRCs，可以采用两种主要策略：(1)基于染料的方法直接应用红外透明染料辐射冷却器。研究人员在 STRC 的设计中应用了 IR 透明颜料，成功地优化了阳光与美学考虑。(2)基于结构的方法通过精心设计的光子结构来调整辐射冷却器的吸收光谱。研究人员提出了一种可喷涂的双层涂层，该涂层在非吸收性太阳散射基层的顶部包括一层薄的可见光吸收层，吸收特定的可见波长以显示特定的颜色。

虽然屋顶直接面向天空是STRCs最适合的应用之一，它们未来的应用也可能扩展到墙壁，窗户，衣服，帐篷和航天器中，如图3所示。墙壁需要定向发射到天空。值得注意的是，用于墙壁应用的 STRC 还必须解决眩光问题，因为广泛的墙壁反射可能会导致眼部损伤。因此，采用具有颜色定制能力的STRCs对于显著减少镜面反射至关重要，从而避免了眩光并减轻了光污染。蓬勃发展的电动汽车 （EV） 市场面临的一个致命挑战是全天候电池热管理。当环境温度从 25°C 降低到-15 °C 时，充电状态下降了 ∼23%。为避免传统静态辐射冷却技术可能引入的过冷问题，研究人员在微图案化石英衬底上引入了一种由 Ag - 聚二甲基硅氧烷层组成的 Janus STRC 薄膜，用于智能温度调节。

除地面应用外，STRCs还可能在航天器热控制中得到应用。随着航天任务的快速增长，使用TARC作为传统静态热控涂层的替代品来应对外部热条件的快速变化变得至关重要。基于此，研究人员提出了一种基于VO2粒子的STRC用于航天器热控制，利用多层VO2薄膜实现智能热控制，该薄膜由于其高调制深度和机械灵活性，在未来航空航天热管理方面具有巨大的潜力。

图3.STRCs的机理和应用包括温度适应性、湿度适应性、电压控制和电机控制。应用范围从屋顶、墙壁和窗户到纺织品、车辆和航空航天。（a）电机控制的牵引式涂料用于屋顶应用。（b）温度自适应VO2超表面用于航空航天应用。（c）温度自适应VO2超表面用于墙壁应用。（d）翻转式Januscoatings用于车辆应用。（e）温度自适应VO2多层结构，用于窗户应用。（f）用于纺织应用的湿度适应超纤维。

到目前为止，静态辐射冷却涂料已经通过由SiO2纳米颗粒组成的出色单层涂层和具有全天候冷却能力的类似油漆的多孔聚合物材料进行了演示。虽然这些涂层可以实现全天的辐射冷却，但它们仍然是静态的，缺乏自我调节能力。因此，迫切需要能够在整个季节实现温度自适应切换和调节的涂料型STRC。这为STRCs在建筑表面的大规模应用提供了重要的途径和未来的研究方向。

结论与展望

随着全球经济的快速发展和城市化进程的加快，建筑的能耗激增。辐射冷却技术可以通过将多余的热量排放到外层空间，对建筑物进行有效的热管理，从而减少温室气体排放。为了解决低环境温度下静态辐射冷却的过冷问题，STRCs作为一种潜在和实用的解决方案被提出并证明。根据外部刺激，STRC 分为由环境温度或湿度变化驱动的被动 STRC 和由电压或电机控制的 STRC 。随着商业化和实际应用，STRC面临着从热发射率的调制深度、太阳能加热优化和美学需求到成本、寿命和可持续性等各种挑战。这些因素对 STRC 的光子设计、材料加工和可扩展制造提出了很高的要求。总而言之，STRC的独特优势有望在各种热控制应用中带来巨大的机会，包括建筑物、电动汽车、服装、帐篷和航天器。其中，STRCs作为建筑屋顶、玻璃窗、汽车玻璃屋顶和卫星的未来涂料技术具有巨大的潜力。

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