文献前沿丨ACS Nano：光致发光核壳&多孔纤维基超材料织物用于彩色日间辐射冷却

现有的辐射冷却纺织品通常呈白色或镜面状，限制了其在户外应用中的美观性。研究团队设计了一种由碳点基同轴多孔纤维编织而成的彩色光致发光辐射冷却（colored photoluminescent radiative cooling, CPRC）超织物，利用光致发光碳点（Carbon dots, CDs）选择性吸收可见光以呈现颜色，同时通过光子再辐射降低热负荷。此外，多孔纤维的纳米结构壳层和增强的中红外辐射芯层提高了太阳光反射率和人体红外热辐射能力。实验结果显示，该材料在保持色彩美观的同时，实现了高达69.2 W/m2的净冷却功率，其平均温度比彩色商业羊毛和染色基冷却织物分别低3.7°C和3.6°C。本研究有效解决了辐射冷却材料在色彩美观与冷却性能之间的矛盾，为下一代可穿戴节能纺织品的发展提供了新思路。相关工作以Photoluminescent core-shell structural porous fibers-based metafabric for colored daytime passive radiative cooling发表在ACS Nano期刊。

该研究设计了一种基于光致发光碳点的同轴多孔纤维，并编织成CPRC超织物，实现色彩美观与高效辐射冷却（图1）。CDs具备可选择性吸收和再辐射光能的特性，实现不同颜色的呈现（图2）。多孔结构和光学优化设计增强了太阳光反射和中红外辐射，提高冷却性能（图3）。室外测试表明，CPRC超织物可有效降低温度（图4），同时具备良好的透气性、耐久性和耐水洗性（图5），并可用于实时监测人体生理信号（图6）。

图1.(a)CPRC超织物的工作原理示意图，由同轴结构多孔纤维编织而成，实现色彩美观、辐射冷却和生理信号监测功能。(b)通过湿法纺丝制备的白色同轴多孔纤维照片，显示其大规模制造的潜力。(c)不同颜色的同轴核壳多孔纤维照片。(d)直径约600 μm的同轴多孔纤维表面形貌。(e)同轴核壳结构多孔纤维的横截面形貌。(f)同轴多孔纤维的核壳层微纳孔尺寸分布。(g)单根同轴多孔纤维举起20 g重物的照片，展示其优异的机械强度。(h)超轻CPRC超织物漂浮在花朵上方的照片。(i)由同轴多孔纤维编织而成的不同颜色的CPRC超织物，包括白色、红色、黄色、蓝色和绿色。

图2.(a)蓝色CDs的XPS C 1s、N 1s和O 1s光电子能谱。(b)所制备CDs在日光和365 nm紫外光下的照片。(c)红色、黄色、蓝色和绿色CDs的吸收光谱。(d)红色、黄色、蓝色和绿色CDs的光致发光发射光谱。(e)红色、黄色、蓝色和绿色CDs在CIE色度坐标图上的分布，展示其光致发光特性。(f)CDs的量子产率。(g)红色、黄色、蓝色和绿色CDs的光子转换效率。

图3.(a)皮肤-超织物-环境的热传递电路示意图，其中Ts、Tamb、Tm1和Tm2分别为模拟皮肤温度、环境温度、超织物内外表面温度。Rs-rad、Rm-rad和Rm-cond分别表示皮肤的辐射热阻、超织物的辐射热阻和导热热阻。(b)同轴多孔纤维的多重散射行为示意图。(c)不同颜色CPRC超织物的太阳光反射率光谱。(d)计算得到的CPRC超织物的有效太阳反射率光谱。(e)不同颜色CPRC超织物的中红外发射率。(f)不同颜色CPRC超织物的CIE色度坐标。(g)纯醋酸纤维素多孔纤维和 (h)同轴多孔纤维在10μm波长下的电场分布。(i)白色、(j)黄色和(k)蓝色CPRC超织物的理论净冷却功率。

图4.(a)室外冷却性能测试实验装置示意图。(b)2024年5月10日的太阳辐照强度。(c)不同颜色CPRC超织物的实时温度变化。(d)不同CPRC超织物的太阳能功率，包括吸收功率、辐射功率和净吸收功率。(e)不同织物的平均温度，包括CPRC超织物、商业棉布和羊毛织物、以及与其颜色相似的CDs基棉布和羊毛织物。(f)由加热器、热电偶和覆盖不同织物的模拟皮肤组成的实验装置示意图。(g)在模拟皮肤上覆盖棉布、白色和黄色CPRC超织物后的实时温度变化曲线。(h)在不同户外运动（跑步、跳绳和打羽毛球）过程中，佩戴黄色CPRC超织物（左）和棉布（右）的手臂光学照片及红外热成像。

图5.(a)CPRC超织物承受50 g负载的照片，并展示其良好的柔韧性，可随意弯曲。(b)黄色CPRC超织物与商业棉布的透气性。(c)黄色CPRC超织物与商业棉布的水蒸气透过率。(d)黄色CPRC超织物与商业棉布的水蒸气传输速率。(e)同轴多孔纤维在PDMS涂层处理前（上）和处理后（下）的接触角测试结果。(f)CPRC超织物在阳光暴露后的太阳光反射率和中红外发射率变化情况。

图6.(a)CPRC超织物基于电接触理论的相对电阻变化机制示意图。(b)同轴多孔纤维在80%应变下进行200次拉伸释放循环测试，显示其稳定的电阻响应。(c)手指弯曲 (d)肘部不同弯曲角度(e)不同步行频率（慢走、快走和跑步）下的生理信号监测。(f)在∼1100 W/m2氙灯直射下，CPRC超织物与单壁碳纳米管基织物的表面温度变化比较。(g)在氙灯照射下，CPRC超织物与单壁碳纳米管基织物的背面温度变化。(h)CPRC超织物与单壁碳纳米管基织物的温度差变化情况。

小结：本研究开发了一种CPRC超织物，以实现白天被动散热，同时保持美观性。基于CDs的同轴多孔纤维，通过纳米结构壳层增强太阳光散射，并利用光致发光特性选择性吸收可见光呈现颜色，同时将吸收的光能转化为光子再辐射，降低热负荷。核心层由单壁碳纳米管组成，提高了人体红外热辐射能力。实验结果表明，CPRC超织物在户外环境下可实现高达69.2 W/m2的净冷却功率，表现出显著的降温效果。其中，黄色CPRC超织物的温度比环境低5.1°C，比彩色商业羊毛和染色冷却织物分别低3.7°C和3.6°C。此外，该织物具备良好的机械柔韧性、透气性和耐水洗性，能够长期保持散热性能和色彩稳定性。此外，其核心层还具备应变感知能力，可用于实时监测人体生理信号，适用于高温环境下的个体健康管理。本研究成功将彩色美观性与高效辐射冷却结合，提供了一种新型可穿戴节能纺织品，为个人热管理和户外工作者提供创新的解决方案。

论文信息：J Liu, B Ji, Y Zhong, L Zhang, B Wang, X Feng, H Xu, and Z Mao. Photoluminescent Core-Shell Structural Porous Fibers-Based Metafabric for Colored Daytime Passive Radiative Cooling. ACS Nano, 2025.

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