华南理工大学张桂珍教授Mater. Horiz.：用于高效持久辐射冷却的叶状结构薄膜

被动日间辐射冷却为解决全球变暖引起的能源、环境和安全问题提供了一种有前途的方法。然而，高辐射冷却性能和持久的紫外线(UV)耐久性之间的矛盾是现阶段的主要限制。这里，受叶表面的表皮细胞和栅栏细胞在干旱和高温条件下保护内部叶结构(如叶绿体和细胞核)的能力的启发，开发了双层被动辐射冷却 (PRC)多孔膜来克服这些挑战，该膜由密集填充有高紫外反射无机颗粒的上部保护层和掺杂有各种光学表征的无机颗粒的底部冷却层组成。这种特殊的叶状结构和无机颗粒的协同效应确保PRC膜具有99.3%的高太阳反射率和95%的高中红外 (MIR)发射率。此外，在总辐射剂量为7000 MJ·m2的紫外辐射处理后，该膜仍然保持了优异的光学和机械性能。因此，该膜独特的结构设计和优异的综合性能将极大地促进PRC技术的实际应用。相关工作以A leaf-like structured membrane for highly efficient and persistent radiative cooling为题发表在Materials Horizons期刊。

本文提出了一种受叶片结构启发的双层多孔膜（DBPS），用于高效且持久的被动辐射制冷。该膜由上层的保护层（富含高紫外反射性的二氧化硅（SiO₂）颗粒）和下层的制冷层（掺杂多种无机颗粒）组成。通过优化膜的结构和成分，DBPS实现了99.3%的高太阳反射率和约95%的中红外发射率（图1、图2、图4）。在户外测试中，DBPS在白天和夜间分别实现了低于环境温度10.2°C和4.9°C的降温效果（图5）。此外，DBPS在经过28天紫外线照射（相当于20年广州户外辐射量）后，仍保持优异的光学和机械性能（图3、图6），展现出卓越的紫外耐久性。这种生物模拟结构不仅提高了膜的耐久性，还降低了生产成本，为被动辐射制冷技术的实际应用提供了新的思路。

图1 DBPS制备过程示意图。

图2 优化DBPS保护层的紫外线耐久性。(a)S60的表面形态的SEM图像。(b)S60的横截面形态的SEM图像。(c)DBPS样品的照片和EDS图像。(d)ST60的表面形态的SEM图像。(e)ST60的横截面形态的SEM图像。(f)S60的孔隙率和孔径分布。(g)ST60的孔隙率和孔径分布。(h)DBPS的孔隙度和孔径分布。

图3 优化DBPS保护层的紫外线耐久性。(a)在28天的紫外线辐射后，具有和不具有仿生保护层(分别为DBPS和ST60)的PRC膜的暴露表面的表面变化和SEM图像。(b) DBPS和ST60的太阳反射光谱(包括AM1.5太阳光谱模型以供参考)。(c)紫外线照射0天和28天后DBPS的FTIR光谱。(d)模拟分析二氧化硅颗粒半径(0-2.5毫米)变化对具有仿生保护层的PRC膜的太阳反射率的影响。(e)模拟分析二氧化硅颗粒固体含量(0-80%)变化对具有仿生保护层的PRC膜的太阳反射率的影响。(f)模拟分析不同配置对太阳反射率的影响:上层的较大颗粒过渡到底层的较小颗粒(L-S线)，上层的较小颗粒过渡到底层的较大颗粒(S-L线)。

图4 优化DBPS冷却层的辐射冷却性能。(a)无机粒子和UHMWPE之间含量比率不同的太阳反射率和中红外发射率光谱(包括AM1.5太阳光谱和实际大气透射率模型以供参考)。(b)二氧化硅和二氧化钛含量比率不同的太阳反射率和中红外发射率光谱 (包括AM1.5太阳光谱和实际大气透射率模型以供参考)。(c)模拟的太阳反射率，无机粒子和UHMWPE之间的含量比率不同。(d)模拟的MIR发射率，无机粒子和UHMWPE之间的含量比率不同。(e)SiO2和TiO2之间不同含量比的模拟太阳反射率。(f)模拟的二氧化硅和二氧化钛含量比不同的中红外发射率。(g)DBPS的太阳反射率和MIR发射率光谱(AM1.5太阳光谱和一个实际的大气透射率模型，供参考)。

图5 DBPS的户外实际性能。(a)红外加热试验的示意图和红外图像(裸铝、覆盖有白纸的铝和覆盖有DBPS的铝的热红外成像)。(b)室外制冷性能测试的示意图和照片。(c)2023年10月30日在中国广州市(北纬231度，东经1131度)用聚乙烯薄膜、DBPS和环境空气测量的24小时温度变化的比较。详细的太阳辐射(等值线)、相对于环境温度(DT)的湿度和温度变化也绘制在相应的图表中。(d)不同hc值下DBPS的Pnet-day和Pnet-night。在这里，广州市(北纬231度，东经1131度)白天30摄氏度，夜晚25摄氏度。(e)DBPS的反射率和MIR发射率与以前报告的PRC薄膜的比较。

图6 DBPS的紫外线耐久性。(a)紫外线耐久性试验的示意图和环境图。(b)在UV暴露7天后，没有保护性叶状结构的PRC膜(ST60)的横截面SEM图像。绿色的上部区域已经粉化。(c)没有保护性叶状结构的两种PRC膜(ST60，T60)在不同持续时间的紫外线辐射后的断裂伸长率。(d)暴露于紫外线28天后DBPS的横截面SEM图像。在整个区域没有观察到粉化。(e)具有保护性叶状结构的两种PRC膜(DBPS和DBPS (BS))在不同持续时间的紫外线照射后的断裂伸长率。(f)两种具有保护性叶状结构的PRC膜(DBPS和DBPS (BS))在不同的紫外线照射持续时间后的太阳反射率。(g)DBPS与各种已报道的PRC膜的紫外线辐射剂量和太阳反射率的比较。(h)DBPS与其他中国材料的综合性能比较。

小结：在这项研究中，论文提出了一种方法，利用叶状结构与无机填料的协同效应来实现有效的光学性能调节和持久的紫外线耐久性。本研究展示了一种仿生双层辐射制冷聚合物膜，其上层是基于UHMWPE的紧密堆积“胞间连丝结构”和具有高紫外线反射率的二氧化硅颗粒以“类黄酮”的形式均匀地嵌入UHMWPE基底中，以抵抗紫外线老化。同时，底层通过具有高光学性能的无机粒子(SiO2和TiO2)的协同反射和发射来增强辐射冷却性能。此外，在实际的辐射冷却和耐久性测试中，DBPS实现了99.3%的太阳反射率和95%的MIR发射率。在晴空条件下，达到了10.16℃的最大降温效果。在持续28天(相当于广州20年的紫外线照射量)的加速紫外线老化试验中，该膜表现出优异的光学和机械性能。此外，DBPS的特点是生产成本低，制造简单，适合大规模商业应用。就其综合性能组合而言，DBPS与商用珠光涂料和目前已有的聚合物PRC膜相比具有很大的优势，有望成为满足户外设备长期冷却要求的前瞻性结构。这项研究也为PRC膜的设计、制造和应用提供了新的见解。

论文信息：Wu, M., Li, Y., Huang, G., Xu, R., Yin, X., & Zhang, G. A leaf-like structured membrane for highly efficient and persistent radiative cooling. Mater Horiz., 2025.

https://doi.org/10.1039/d4mh01697a

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