东华大学张超研究员团队ACS Nano：热整流梯度多孔纳米复合薄膜实现多场景自适应辐射冷却

辐射冷却技术作为一种无需能量输入的被动冷却方式，在应对电子器件散热、建筑节能与个人热管理等方面展现出巨大潜力。其核心机制在于反射太阳辐射并向外太空发射中红外热辐射以实现散热。然而，现有多孔聚合物材料因太阳光反射效率不足及非辐射热交换问题，难以适应多样化应用场景，特别是在高于环境温度的封闭空间中冷却效果有限。为此，本研究提出一种“梯度交联聚合策略”，成功制备出具有双梯度结构（纳米片浓度梯度与孔径梯度）的多孔纳米复合膜（GPNF）。该膜材料不仅实现了高达96.2%的太阳反射率，还表现出热整流效应，其整流因子达30%，显著增强了在不同温度场景下的自适应辐射冷却能力。相比传统均匀多孔膜，该梯度膜在未加热与自加热密闭空间中分别实现了2.4 ℃与2.2 ℃的额外降温效果，为多场景被动热管理提供了新路径。相关工作以Thermal-Rectified Gradient Porous Nanocomposite Film Enabling Multiscenario Adaptive Radiative Cooling发表在ACS Nano期刊。

本研究提出了一种梯度交联聚合策略制备的双梯度多孔纳米复合膜（GPNF），通过施加电场诱导纳米片（LNS）形成厚度方向上的孔径与成分梯度结构（图1）。结构分析表明GPNF20具有优异的加工性与力学性能，且从阳极到阴极呈明显孔径增大、LNS含量降低的双梯度分布（图2）。热导率测试和仿真证实GPNF具有显著的热整流特性，沿密到疏孔方向（JDS）的热导率显著高于反方向（JSD）（图3）。实验测量与模拟揭示梯度孔径结构使GPNF20在0.3–2.5 µm太阳光谱波段实现高达96.2%的太阳反射率（图4）。此外，GPNF20在8–13 µm的大气透明窗口表现出优异且角度无关的中红外高发射率（图5）。户外实测及模型验证表明，GPNF20在未加热与自加热的密闭空间中均表现出优于传统材料的辐射冷却性能，具有显著的多场景自适应热管理优势（图6）。

图1. GPNF的制备流程示意图：采用梯度交联聚合方法实现厚度方向上LNS浓度和孔径的双梯度分布。

图2. GPNF 的结构特征：(a) 各种尺寸的GPNF20；(b) 可切割成各种形状的GPNF20；(c) 支撑其重量 1000 倍负载的GPNF20；(d) GPNF20的横截面 SEM 图像显示了从阳极到阴极逐渐增大的孔径，其虚线矩形区域的(e-g) 放大 SEM 图像，描绘了相应的孔隙大小分布；(h) 带有元素映射的GPNF20的 SEM 图像；(i) 从GPNF20的完整横截面进行线扫描获得的 XPS 光谱；(j) 从阳极到阴极侧的GPNF20内的 LNS 含量和孔隙大小。

图3. GPNF 的热整流特性：(a) GPNF 内的定向热流示意图；(b) GPNF 在JDS和JSD方向的热导率；(c) 具有不同 LNS 含量 UPNF 的温度相关热导率；(d)热台上GPNF20的数码照片和热成像图像，展示了JDS和JSD方向的热传递；(e) GPNF 放置在热板上时表面温度随时间的变化；(f) GPNF 的有限元分析显示了沿JDS和JSD方向的热传递趋势。

图4. GPNF 的太阳光散射特性：(a) GPNF 和 UPNF 对太阳光的多次散射示意图；(b) GPNF20和 UPNF20的太阳反射光谱；(c) GPNF20的 CIE 色度坐标；(d) 在整个太阳光谱波段中，孔径为0.5 至 5.0 μm 范围内的模拟散射效率；在特定太阳光谱波长 (e) 0.5 和 (f) 2.5 μm 下，具有各种多孔结构的 GPNF 的近场电场分布；在特定太阳光谱波长 (g) 1 和 (h) 2 μm 下，GPNF20、UPNF-0.6、UPNF-2 和 UPNF-4 的电场分布。

图5. GPNF 的中红外发射性能：(a) GPNF 结构内化学键振动引发的红外辐射示意图；(b) PHEMA 和 LNS 的 FT-IR 光谱，其中浅蓝色阴影区域表示大气中红外透明窗口；(c) GPNF20和 UPNF20的中红外发射率对比，其中浅蓝色阴影区域表示大气透射率窗口；(d) GPNF20在 10° 至 80° 范围内变化角度下的中红外发射率；(e) GPNF20在大气窗口内 10 至 80° 角度范围内发射率的极坐标分布。

图6. GPNF 的热整流辐射冷却性能：(a) GPNF 作为冷却屋顶的潜在用途；(b) 使用GPNF 实现密闭空间在低于和高于环境温度条件下的热调控；(c) GPNF20与文献报道的多孔结构辐射冷却材料在热导率、太阳反射率和中红外发射率方面的对比；(d) 太阳辐射强度和GPNF20和 UPNF20的实时温度变化（2023 年 9 月 5 日，中国上海）；(e) 未加热房屋模型分别以铝绝缘泡沫、GPNF稀疏-致密面（GPNFS-D）和GPNF致密-稀疏面（GPNFD-S）作为屋顶覆盖材料，在日照条件下不同时间间隔的实物照片与热成像图；（f）自发热密闭箱体（内置预热热电板）分别以铝绝缘泡沫、GPNFS-D和GPNFD-S覆盖顶部开口，在不同时间间隔的实物照片与热成像图。

小结：本文提出一种具有双梯度结构的热整流多孔纳米复合膜GPNF，融合了高太阳反射率、高中红外发射率及热整流特性，突破了现有多孔辐射冷却材料在不同温度场景中的应用瓶颈。通过实验与仿真验证，GPNF可在日照下实现优异的多场景自适应冷却性能，特别适用于未加热与自加热密闭环境。该研究用于推进高效多孔辐射冷却材料的发展，为宽温度范围内的封闭环境提供热整流辐射冷却。

论文信息: Wang Y, Liu S, Zhang X, et al. Thermal-Rectified Gradient Porous Nanocomposite Film Enabling Multiscenario Adaptive Radiative Cooling. ACS nano, 2025.

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02609

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