北京科技大学王存海课题组The Innovation Energy：链通辐射冷却材料到应用以缓解全球能源问题

论文链接: https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2025.100090

随着全球变暖和城市化进程加快，空间制冷需求迅速增长，过去三十年间相关碳排放量已翻倍，形成“越热越用空调、越用空调越热”的恶性循环。在可再生能源尚难以广泛替代现有能源结构的背景下，辐射冷却（Radiative Cooling, RC）作为一种无需外部能耗的被动降温手段受到广泛关注。通过设计材料的光谱选择性，冷却器可有效反射阳光并通过大气窗口辐射热量，在白天实现低于环境温度的冷却效果，为缓解建筑能耗、城市热岛效应与农业热胁迫等问题提供了新路径。然而，RC材料仍面临成本高、耐候性差及实际应用兼容性不足等挑战，制约其大规模推广应用。为推动RC技术向实际场景转化，本文评述了近期一系列材料创新与典型应用进展，并提出未来从材料多功能设计、系统集成到跨领域协同研发的推进策略(官方报道在这里：)。相关工作以题为Bridging radiative cooling materials and applications towards alleviating global energy issues的Letter论文发表在The Innovation Energy期刊()。

本文围绕辐射冷却（RC）技术的材料设计与多元化应用展开系统探讨，梳理了材料创新、工程兼容性与跨领域应用之间的桥接路径，具体研究内容涵盖以下几个方面：

2.1 材料层面的创新探索

文章重点介绍了近年来具代表性的三类高性能RC材料，展示了从自然启发到工程实现的多种设计策略。

仿生层级陶瓷材料（图1a）：Lin等受 Cyphochilus 甲虫的强散射结构启发，通过相分离与烧结工艺处理氧化铝颗粒，构建出具有多尺度孔隙的仿生陶瓷材料。该材料兼具超高的太阳反射率（99.6%）与优异的环境耐久性，适用于建筑外立面等严苛户外环境。

溶液加工陶瓷玻璃涂层（图1b）：Zhao等提出将氧化铝与玻璃混合制备可喷涂涂层，并通过热风枪或加热灯辅助烧结，获得兼具良好机械强度、太阳反射性和环境稳定性的涂层材料，展现出良好的可工程化潜力。

荧光增强型生物质气凝胶（图1c）：Ma等基于DNA与明胶构建多层有序结构，开发出兼具荧光与磷光机制的可降解气凝胶，实现104.0%的太阳加权反射率及高达16°C的日间降温效果，并具备可修复、可回收等环境友好特性。尽管其降温性能仍存在被夸大之争议，该研究展示了生物质材料在RC领域的潜力。

图1.连接辐射冷却材料与应用。(a-c)辐射冷却材料的设计：(a) Cyphochilus甲虫启发的陶瓷材料，在环境应力下展现出卓越的耐久性；(b)溶液加工涂层玻璃，在极端条件下仍保持高太阳反射率，具备可扩展性、低成本及良好的建筑适配性；(c)生物质荧光气凝胶，达成创纪录的104.0%太阳反射率以及白天降温达16.0°C。(d-f)辐射冷却应用的拓展：(d)用于被动个人冷却的中红外选择性纺织品；(e)左图为三波段电致变色智能窗，调节太阳透射与热发射以提升建筑能效；右图为垂直辐射冷却表面，用于减少建筑热积累；(f)左图为光合作用友好型薄膜，用于增强农业生产；右图为辐射冷却地膜，用于农业覆盖与降温。

2.2 应用场景的跨界拓展

文章进一步总结了RC技术在个人防护、建筑节能及农业增产等典型场景中的代表性应用。

个体防护（图1d）：Wu等设计的中红外选择性纺织品基于分子工程调控光谱发射特性，具备对外选择性辐射与对内宽带吸收的能力，适用于人体在多场景下的被动降温。

建筑节能（图1e）：左图展示了Shao等开发的三波段电致变色智能窗，能够动态调控可见光、近红外与中红外透射与辐射行为，显著提升建筑热管理效率。右图为Xie等设计的角度非对称RC材料，通过锯齿状衍射结构与纳米多孔聚乙烯覆盖层实现垂直墙面降温，突破了传统RC材料难以适用于非水平表面的技术瓶颈。

农业应用（图1f）：左图为Li等提出的用于光合作用的RC薄膜，由PDMS层、光子晶体结构与水凝胶层构成，兼顾作物降温、保湿与光合作用增强。右图为Wang等研发的RC农地覆盖膜，其多层复合结构在提升作物产量、降低土温与减少灌溉用水方面表现突出。

2.3 RC技术迈向工程化与系统集成

通过整合以上前沿材料与多元应用案例，文章指出RC技术正加速从基础材料研究迈向跨学科、多维度的工程化实践。作者强调，未来RC材料的设计应进一步向多功能化方向发展，如实现柔性、色彩调控、阻燃性与可降解性，并注重与现有设备系统（如电子器件、光伏组件、热电或摩擦电发电装置）的协同集成。此外，应通过实地测试验证其实际性能，而非仅依赖理论模拟预测。为实现规模化应用，作者建议结合AI辅助材料设计与政策激励机制，以降低成本、加速RC技术在全球的普及与落地。

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小结：本文系统评述了RC材料与应用的最新进展，聚焦于材料性能提升与多场景实际部署的桥接路径。文章重点介绍了多种新型高性能RC材料，包括仿Cyphochilus甲虫结构的多孔陶瓷、具备优异耐候性的溶液加工陶瓷玻璃涂层，以及结合荧光与磷光机制的生物质气凝胶。这些材料在太阳反射率、热稳定性、可加工性与环境友好性方面表现出显著优势。进一步地，文章梳理了RC技术在个人穿戴、建筑节能与农业生产等领域的扩展应用，如中红外选择性纺织品、三波段智能窗、垂直表面散热结构、农业温室膜与辐射冷却地膜等。当前应用中仍存在成本、耐久性和环境适应性等挑战，应结合人工智能辅助设计、跨学科协作与实地性能测试推动技术落地。此外，未来RC技术应加强与电子器件、热电与纳发电系统的耦合，拓展其在低碳能源系统中的功能边界。

论文信息：Chen H, Wang C. Bridging radiative cooling materials and applications towards alleviating global energy issues. The Innovation Energy, 2025, 2(2):100090.

https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2025.100090

第一作者：陈浩，北京科技大学博士研究生。主要研究方向为辐射制冷材料设计及其性能研究。以第一/等同第一作者在Progress in Materials Science, The Innovation Energy, Next Energy, Applied Energy, Energy, International Communications in Heat and Mass Transfer等学术期刊发表学术论文6篇。

通讯作者：王存海，北京科技大学副教授，北京市青年托举人才。北京科技大学空天热辐射课题组负责人，主要研究方向为基于微纳结构的光热调控机理与应用。主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金交叉融合非共识创新项目等，以第一/通讯作者在Matter, Device, Progress in Materials Science, Materials Today, Nano Letters, ACS Photonics, The Innovation Energy, Nano Energy, Next Energy, Applied Energy, Energy, Applied Physics Letters, Optics Letters, International Journal of Heat and Mass Transfer等学术期刊发表SCI论文60余篇。担任Science, Nature Sustainability, Joule, Energy and Environmental Science, Advanced Functional Materials等期刊审稿人。指导学生参加科技竞赛获得国家级/省部级奖励20余项，包括国家节能减排大赛一等奖2项，挑战杯科技竞赛北京市一等奖2项，北京市节能减排大赛一等奖3项。担任国家节能减排大赛、北京市节能减排大赛、河北省节能减排大赛评审专家。

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