ACS|具有珊瑚状层次结构的双模多孔聚合物薄膜全天辐射制冷和制热

研究背景

制冷和制热是各种场景中至关重要的能源最终用途，特别是在建筑、工业、空间和个人热管理中。制冷和制热消耗的能源约占世界总能耗的一半，预计将分别增加83%和79%，空调和中央供暖主要用于典型的制冷/供暖热管理。然而，它们在冷却/加热大片空间和无生命物体时会造成大量能源浪费，导致全球能源和生态危机加剧。因此，采用来自绿色和可持续能源的清洁技术对于制冷/制热是必不可少的，这对于缓解能源危机和减少温室气体排放是重要的。

辐射热管理，特别是用于无附加能量输入的被动辐射冷却（PRC）和被动辐射加热（PRH），作为传统能源密集型冷却/加热方法的替代方案，已经引起学术界和工业界越来越多的关注。8 - 13 μm）。对于全天候PRC，特别是在白天，大气窗口内的高发射率和太阳光谱内的高太阳反射率（即，0.3 - 2.5 μm）的材料同步预期在太阳直接照射下实现净冷却功率。各种材料形态（例如，薄膜，涂层，织物，和气凝胶）和材料结构（例如，多层结构，超材料结构，随机分布的颗粒，和多孔结）已经被开发以实现高效的全天PRC。同时，PRH通过反射温度超过绝对零度的物体发出的红外热辐射来减少辐射热损失来实现。因此，有效的PRH需要材料中的低红外发射率，例如金属和表面金属化聚合物膜。

相关成果以“Dual-Mode Porous Polymeric Films with Coral-like Hierarchical Structure for All-Day

Radiative Cooling and Heating”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》（JCR一区，中科院一区TOP，IF=15.8）上

研究结论

本文报道了一种用于全天候辐射制冷和加热的双模多孔聚合物薄膜，它是通过在多孔PVDF薄膜上修饰MXene而制备的，该薄膜具有丰富的珊瑚状分层结构。双模薄膜的冷却侧太阳反射率高达96.7%，红外发射率高达96.1%，白天和夜间的冷却温度分别为9.8℃和11.7℃。在采暖端，超薄的MXene装饰赋予了11.6%的低红外发射率和75.7%的高太阳吸收率，有效地阻止了热辐射损失，吸收了太阳能，确保了8.1°C的优异PRH能力和优异的太阳能采暖性能。同时，导电加热面赋予具有高焦耳加热能力的双模薄膜，能够有效补偿双模薄膜的加热方式。此外，三种供暖模式可以任意组合，以达到应对复杂供暖场景所需的供暖能力。值得注意的是，通过翻转薄膜，双模式薄膜可以很容易地在冷却和加热模式之间切换，以适应动态的季节和天气变化。本工作为实现高效全天双模PRC/PRH提供了一种可行的策略，在空间、建筑和个人热管理的制冷和供暖应用中具有很高的应用前景。

研究数据

图1.(a)加热（左）和冷却（右）模式下的双模式薄膜示意图。(b)双模式薄膜的制备过程示意图。

图2.(a)显示其白色冷却面的双模式胶片照片。(b)表面扫描电子显微镜（SEM）图像和（插图）双模式薄膜白色冷却面的水接触角。(c)（B）的相应高倍SEM图像。(d)显示其黑色加热面的双模式胶片的照片。(e)双模式薄膜黑色加热面的表面SEM图像和（插图）水接触角。(f)测量的双模薄膜冷却面的UV−维斯−NIR反射率（黑线）和红外发射率（红线）与AM1.5太阳光谱和“大气窗口”的对比。(g)测量双模薄膜加热面的UV−维斯−NIR吸收率（黑线）和红外发射率（红线）。(h)热状态下双模薄膜（加热面）的热红外图像。

图3.(a)室外PRC测量实验装置的示意图（上图）和数字图像（下图）。(b)比较室温多孔PVDF−20薄膜和双模式薄膜在24小时内的温度变化（2021年12月24日）。(c)多孔PVDF−20薄膜、双模薄膜和环境之间的温度差异。（d）白天和（e）夜间双模薄膜的理论辐射冷却功率和温度曲线。

图4.(a)PRH测量的实验装置示意图。(b)测量覆盖有不同薄膜的人工皮肤的实时温度。(c)PRH实验1h后不同膜覆盖人工皮肤的最终温度。(d)数字和红外图像和（e）测量的室内温度的裸屋模型和加热房覆盖双模膜室内。(f)真实的人体皮肤温度覆盖着加热面的双模胶片，内插的是数码和红外图像。

图5.(a)2021年12月21日6：00 - 20：00不同薄膜在太阳照射下的实时温度。(b)双模膜（加热面）与其他膜之间的太阳能加热温差。(c)不同电压下双模薄膜的焦耳热性能。(d)在3和4 V电压下，双模薄膜在PRH和焦耳双加热模式下的室内加热性能。(e)公屋、太阳能及焦耳加热模式的转换程序。(f)室外环境（2022年1月17日）12：00 - 14：30切换制热模式时的实时温度曲线。

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07293

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