大连理工大学冯诗乐教授团队《ACS Nano》：具有高效抗冷凝特性的三重尺度结构辐射制冷材料

全球变暖与能源危机日益严峻，传统制冷技术的高能耗问题愈发凸显。 被动辐射 制冷 （ PRC ） 作为一种零能耗的被动降温技术备受关注。现有的辐射制冷研究多侧重于 结构尺度与光学特性 的匹配。虽然具有出色的超疏水性能，但在高湿或过冷条件下其疏水性能 很容易 失效， 表面形成的冷凝液滴 嵌入到与 光学特性相匹配的结构 微 腔 中，从而抑制 辐射 制冷 性能。因此，在高湿或 高 过冷 度 下 缓解 冷凝液滴对辐射 制冷 性能的影响 仍面临严峻 挑战。

针对上述问题， 大连理工大学机械工程学院冯诗乐教授 团队提出了一种基于三重尺度结构的被动辐射制冷(TPRC)策略，展现优异的太阳光反射率（~0.98）与中红外发射率（~0.91），可实现10.9 ℃的日间被动辐射制冷效果。TPRC 出色的抗冷凝性使其即使在 ~70% 的高湿 条件下依然可实现 ~ 4 ℃ 的降温。此外， TPRC 还 表现出 优异的 冷凝液滴自清洁 性、 热稳定性 、 抗紫外线辐射 和机械稳定性，为多种 恶劣环境中 的热管理应用提供了新的思路。该研究以 “ Triple-Scale Structure-Induced Efficient Passive Radiative Cooling Combining Robust Anticondensation ” 为题 发表在 《 ACS Nano 》 上。

研究团队通过简单的气相沉积技术在基底表面形成均匀且致密的三重尺度结构，分别由微米级的 聚合物颗粒 （ ~ 1.5-3.5 μm ） 、颗粒之间的亚微米级间隙 （ ~ 0.1 - 1.5 μm ） 以及覆盖 在 颗粒表面的纳米级孔隙 （ ~ 25 - 120 nm ） 组 成 ，如图 1 所示。 所制备辐射制冷材 料 本身的光学特性和三重尺度结构的协同作用 赋予了 其 优异的 超疏水性、抗冷凝性和被动辐射 制冷 性能 。

图 1 . TPRC 的 结构、抗冷凝和辐射制冷 特性

研究团队探索了不同聚合物比例和涂层厚度对 TPRC 光学特性和辐射制冷性能的影响。结果显示， TPRC 在太阳光直射 下 可实现高达 10.9 ℃ 的辐射制冷效果 （图 2 ） 。其厚度约 为 202 μm ，仅 是现有多数研究 中辐射制冷材料 厚度的 2/3 。此外， TPRC 在封闭环境下也具有优异的辐射制冷性能，可有效降低冰块的融化速度 ， 即使是 在户外 ，依然可以有效降低电动车垫子的 表面 温度。

图 2.TPRC 的 参数优化和户外 冷却测试

为验证 TPRC 在高湿环境下的辐射制冷效果，研究人员将其和对照组一起放置于湿度 为 ~ 70% 的环境中。图 3 显示 TPRC 可实现 ~4 ℃ 的环境冷却。此外，在过冷度 ~10 °C 的条件下， TPRC 表面的最大液滴半径 小于 47.6 μm ，表面覆盖率 小于 32.4% ，明显低于对照组表面的冷凝液滴半径 （ 108.2 和 64.6 μm ） 和表面覆盖率 （ 65.53% 和 48.01% ） 。上述结果表明了 TPRC 具有优异的抗冷凝性，即使在高湿环境下也具有优异的辐射制冷性能，为高湿或过冷环境下的高效辐射制冷提供了可靠的解决方案 。

图3.TPRC的高湿制冷性能和抗冷凝性能

TPRC 不仅具有优异的辐射制冷性和高效的抗冷凝性能，还具有优异的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性。此外， TPRC 还可以通过雨水和冷凝液滴实现 自清洁 ，证明其在高湿环境中具有优异的耐用性和实用性。

图 4.TPRC的耐用性和自清洁性能

本研究通过简单的气相沉积技术制备了一种具有高效 被动辐射 制冷 性能 的材料，其 在阳光直射下可实现 ∼ 10.9 °C 的 辐射制冷。 三重尺度结构的设计 使其具有优异 的抗冷凝性能 ，即使在 相对湿度 ~ 70% 的条件下依然可以实现 ~ 4 °C 的 降温。此外， TPRC 还具有 强大的耐用性，包括冷凝液滴自清洁性能， 500 °C 的热稳定性 ， 100 h 以上的抗紫外线辐射以及 3 0 天室外暴露的稳定性。该工作为 极端情况下的 热管理 提供了新方案，为高湿度环境中的辐射制冷提供了有效策略，在建筑、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03434

来源：高分子科学前沿

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