浙江大学吕建国团队: 基于纳米二氧化硅的透明辐射制冷薄膜与热管理应用

基于纳米二氧化硅的透明辐射制冷薄膜与热管理应用

题目：Transparent Radiative Cooling Films Based on Dendritic Silica for Room Thermal Management

作者信息：Tao Yu, Rumin Liu, Xu Wang, Zixiang Yang, Xiangyi Gu, Shikuan Yang, Zhizhen Ye, Zhen Wen, Jianguo Lu

DOI：10.1002/cnl2.70020

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70020

第一作者：余涛

通讯作者：吕建国 文震

单位：浙江大学材料科学与工程学院硅与先进半导体材料国家重点实验室

研究背景

全球能源短缺和气温上升对可持续发展构成重大挑战，热管理对于维持人体舒适和健康变得日益关键。统计数据显示，建筑能耗占全球能源消耗的40%，而窗户是其中的主要因素，占建筑能耗的60%。夏季，阳光透过窗户加热狭窄的室内空间，可使室温升高至60 ℃，这会给人体带来显著的不适感。尽管市面上用于窗户的低辐射率（Low-E）涂层通过反射红外辐射、减少冬季热量损失展现出优异的保温性能，但它们无意中增加了夏季的制冷能耗。因此，制冷系统必须更努力地工作以维持舒适的环境。空调、风扇等传统制冷设备以高能耗为代价，而能源消耗排放的CO2等温室气体加剧了温室效应，进一步推高温升。因此，迫切需要开发新型环保的热管理技术以减少建筑能耗，满足可持续发展的需求。日间辐射制冷作为一种新兴制冷技术，已得到广泛研究。目前，大多数辐射制冷材料呈现白色外观，通过高效反射太阳光谱能量实现低于环境温度的制冷效果。白色辐射制冷材料已有多种成熟方案，例如多孔聚合物、纳米颗粒、光子晶体和多层膜。然而，针对透明辐射制冷（TRC）材料的研究相对不足。TRC材料通过大气窗口（8–13 μm）发射热量实现被动制冷，其核心优势在于同时具备光谱选择性和视觉透明性，这与Low-E涂层单一的红外反射特性有显著区别。此外，相较于依赖电力的传统空调系统，TRC材料运行时零能耗、零碳排放，展现出节能潜力。与白色涂层不同，TRC材料还具有保留基材美学和功能特性的额外优势，使其在窗户等需要保持视野的应用中极具通用性。尽管潜力巨大，但在保持透明度的同时实现有效的辐射制冷仍面临巨大挑战。高太阳光透射率是实现透明度的前提，但这往往会加剧太阳热效应，削弱热辐射带来的制冷效果。这种权衡限制了TRC材料的实际应用。近期的进展，如高透明度超材料和微光子设计，虽已实现一定程度的制冷，但其效果因太阳能吸收过多或制造工艺过于复杂、成本高昂而受到制约。解决平衡透明度与制冷性能这一挑战仍是关键障碍。

成果介绍

浙江大学吕建国团队与苏州大学文震团队合作，通过将低成本的无机颗粒随机嵌入聚合物基体中，采用低成本刮涂工艺制备树枝状纳米颗粒和PDMS的透明辐射制冷复合薄膜。材料表征与光学有限元模拟结果表明树枝状结构有效的削弱了尺寸粒径为200 nm左右的氧化硅纳米颗粒对可见光的背向散射，并提供了额外的副窗口发射率。户外温度测试表明，所设计的薄膜具有高效的日间降温效果。该工作为应对全球气候变暖带来高温挑战提供了潜在方案。该成果以“Transparent Radiative Cooling Films Based on Dendritic Silica for Room Thermal Management”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、提出了针对室内热管理的透明薄膜的透射率约束和选择性光谱。

2、采用简单的刮刀涂层工艺开发TRC薄膜，可以很容易地扩展到商业卷对卷制造生产。

3、发射层的厚度仅为约10 μm，目前大多数辐射制冷膜的厚度在数百微米到毫米的范围内。

4、TRC薄膜在不同天气条件下全天实现被动辐射制冷，还提供紫外线阻挡和电磁干扰屏蔽。

本文要点

要点一

透明辐射制冷薄膜的光学设计和材料表征

图1：多功能透明辐射制冷（TRC）膜的设计与制备示意图。

图1(a-d)展示了TRC薄膜的设计过程，薄膜自上而下由发射层、ITO层、柔性衬底、粘合层组成，薄膜遵循选择性光谱设计与最大透明度限制。图1(e)展示了刮涂工艺制备TRC薄膜的过程，图1(f)展示了薄膜的电子图像。

图2：树枝状纳米氧化硅（DMSNs）的表征和散射效率。

图2(a)展示了DMSNs的制备过程，采用模板法制备树枝状多孔结构。图2(b-i)展示了对DMSNs的材料表征结果，证实了DMSNs的树枝状形貌以及元素组成。图2（j-l）展示了对球形和树枝状两种纳米颗粒的光学有限元模拟结果，散射效率和电场分布图表明，颗粒尺寸为200 nm时，树枝状结构对可见光的背向散射具有削弱作用。

要点二

透明辐射制冷薄膜的光学性能与制冷性能

图3：TRC薄膜的光学性能表征图。

图3(a-g)展示了TRC薄膜的透过率和发射率光谱，由图可知树枝状颗粒制备的薄膜具有更高的可见透过率和中红外发射率。图3(h,i)展示了TRC薄膜的疏水性能和电磁屏蔽性能，薄膜的水接触角约108°，在X波段的EMI SE约31 dB，表现出较优异的疏水和电磁屏蔽性能。

图4：TRC薄膜的辐射制冷性能。

图4（a-c）展示了TRC薄膜户外测试所使用的装置。图4（d-i）展示了TRC薄膜在多云和晴天环境下的日间制冷性能，所设计的TRC薄膜表现出最优异的制冷性能，具备降低建筑制冷能耗的潜力。

要点三

透明辐射制冷薄膜的建筑能耗模拟和耐久性能

图5：TRC薄膜的制冷效果和性能评价。

图5（a,b）计算了TRC薄膜的理论制冷功率，环境温度为300 K时，TRC的理论制冷功率约为99.25 W/m2。图5（c）模拟了TRC薄膜在实际使用过程中的降温效果，即便未垂直朝向天空，TRC薄膜也能对室内起到降温效果。图5（d,e）为TRC薄膜在中国不同气候区的代表城市的建筑能耗模拟结果，表明TRC薄膜的制冷效果具有优异的气候适应性。图5（f-h）对TRC薄膜的耐久性能进行表征，在分别经过户外老外15天和60天后，薄膜的光谱和户外制冷性能仅略微降低，表明该TRC薄膜具有优异的户外耐久性能。图5（i）综合评估了TRC薄膜与其他类似工作的性能对比。

本文小结

本文提出了一种柔性透明辐射制冷薄膜，有望有效降低建筑能耗。TRC薄膜通过低成本的一步刮刀涂层工艺制造，将树枝状介孔DMSN和PDMS集成为超薄发射层（约10μm），实现了高可见光透射率（TVis=68.82%），同时阻挡了有害的紫外线（TUV=18.6%）。由于其超高红外发射率（ε=0.95），该薄膜通过大气窗口有效地散发热量，降低了室温。此外，该薄膜提供EMI屏蔽（X波段EMI SE=31 dB）和疏水性（水接触角θ=108°），避免了对人类的潜在健康风险，并确保了户外使用的长期清晰度和自清洁能力。室外测试表明，在晴天可以实现12.6°C的最高冷却温度，理论冷却功率约为99.25 W/m2。这种创新的TRC薄膜是一种有前景的、环保的可持续发展解决方案，解决了与能源效率、热调节和人体舒适度相关的问题。

作者介绍

第一作者

余涛

浙江大学材料科学与工程学院硅及半导体先进材料国家重点实验室硕士研究生，主要从事日间辐射制冷材料与应用的研究，已发表SCI论文5篇，申请国家发明专利1件。

通讯作者

文震

苏州大学纳米科学技术学院、功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师。主要开展基于新材料、新原理、新结构的微纳传感器研究，目标通过微纳尺度材料界面电荷行为调控与可控界面力敏特性增强实现力电转换性能的有效提升。至今以第一/通讯作者在Nat. Commun. (3)、Sci. Adv. (1)、Adv. Mater. (3)、Adv. Energy Mater. (2)、ACS Nano (9)、Adv. Funct. Mater. (11)等高水平期刊发表论文120余篇，撰写学术专著3章，总引用超过16000次，h因子为68，获授权中国发明专利38项，其中10项已转让；近五年承担了国家重点研发计划“智能传感器”专项课题、国家重点研发计划“高端功能与智能材料”专项课题、科技部科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目课题、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、面上项目等；入选了江苏省高层次人才培养计划（“333工程”）第三层次、江苏省优秀青年基金、江苏省科协青年科技人才托举资助工程、江苏省科技副总项目、全球前2%顶尖科学家榜单、全球顶尖前10万科学家榜单等；荣获了2024年中国商业联合会科学技术发明奖、2023纳米材料杰出青年学者奖、2023先进纳米能源奖、2022年度微系统与纳米技术峰会青年科学家奖等；目前担任Nano Energy助理编辑、Micosystems & Nanoengineer、Chinese Chem. Lett.、Exploration和Nano-Micro Lett.等期刊青年编委。

通讯作者

吕建国

浙江大学材料学院、硅及先进半导体材料全国重点实验室副研究员，博士生导师。浙江省杰青、钱江人才、151人才；国际IEEE学会会员，中国材料学会、中国物理学会、中国化学学会、中国电子学会等高级会员；Chinese Chemical Letters、Tungsten、Materials、化工生产与技术等期刊编委。正在承担或完成国家和省部级科研项目15项，企业委托研发项目10 余项。获国家自然科学二等奖1项（排名第三）、浙江省科学技术一等奖3项、教育部科技进步二等奖1项、全国百篇优博论文提名奖1项。授权国家发明专利30余件。编撰中英文教材专著3部，获全国优秀教材二等奖1项。在Nature Water、Chemical Society Reviews、Advanced Materials等国际期刊发表SCI论文200余篇，其中ESI热点论文1篇、高被引论文15篇；SCI引用12000余次，H因子56。中国高被引学者，全球前2%顶尖科学家。

博士后招聘

浙江大学吕建国团队诚聘材料、物理、化学、电子、能源等专业的博士后，同时，欢迎联合培养的博士生（包括工程博士生、国际留学生）。虚位以待，期待有志之士加盟，共同发展！

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文献推荐

团队辐射制冷领域优质

(1) R. Liu, K. Xia, T. Yu, F. Gao, Q. Zhang, L. Zhu, Z. Ye, S. Yang, Y. Ma, J. Lu. Multifunctional Smart Fabrics with Integration of Self-Cleaning, Energy Harvesting, and Thermal Management Properties.ACS Nano, 2024, 18(45): 31085-31097.

(2) T. Yu, R. Liu, Z. Yang, S. Yang, Z. Ye, J. Lu. Color Design for Daytime Radiative Cooling: Fundamentals and Approaches.Applied Energy, 2025, 377: 124436.

期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的26名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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