南京大学唐少春教授ACS Nano：仿生自适应辐射制冷薄膜，湿度驱动实现高效全天候降温

随着全球气候变暖加剧，夏季极端高温事件频发。传统制冷系统能耗巨大且加剧温室效应，而被动式日间辐射制冷（PDRC）作为一种零能耗技术备受关注。然而，现有彩色辐射制冷材料因静态光学特性难以适应天气变化，尤其在湿度升高时制冷能力显著下降。当前研究多聚焦温度响应，湿度自适应材料仍属空白。

南京大学唐少春教授团队受变色龙随环境湿度变色启发，成功开发出一种湿度敏感彩色薄膜（HSCF）。该薄膜通过湿度敏感的钴基络合物（Co-ETA）实现太阳光和中红外波段的动态双波段光谱调节，在25%-90%湿度范围内自适应提升制冷效率。实验表明，湿润状态下其太阳能反射率从89%升至93%，中红外发射率达~99%，制冷功率提升180%，且无需外部能源即可可逆调控。相关论文以“ Bioinspired Colored Films with Humidity-Induced Dynamic Reflectivity and Emissivity for Self-Adaptive, Efficient Radiative Cooling”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为He Jiajun 。

图1 揭示了薄膜设计机制：大气透射率随湿度升高骤降50%（图1a），传统彩色制冷器在高湿环境下失效（图1b）。而HSCF模仿变色龙策略，干燥时呈现彩色并高效制冷（图1d）；湿度增加时，薄膜颜色淡化（图1e-f），因水分子与钴络合触发结构变化，增强太阳反射与红外辐射（图1c）。

图1 湿度敏感彩色薄膜的设计原理与工作机制 (a) 不同相对湿度下的大气透射率曲线 (b) 传统彩色制冷模型在低/高湿环境的工作机制对比 (c) 湿度响应薄膜在低/高湿环境的动态工作模式 (d, e) 干燥/湿润HSCF的实物照片 (f) 干燥/湿润HSCF在CIE 1913色彩空间的色度坐标

图2展示材料结构：双层电纺纤维薄膜中，底层为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VdF-HFP)），顶层均匀负载Co-ETA（图2a-b）。纤维直径分布（0.1-0.7 μm）通过米氏散射拓宽太阳光反射波段（图2c-d）。FT-IR与XPS证实湿度引发羟基形成（图2e-h），TGA证明其100℃内热稳定性（图2i）。

图2 HSCF的表征与数值模拟 (a) 薄膜顶层SEM图像 (b) 顶层EDS元素分布图 (c) 顶层纳米纤维直径分布 (d) 0.3–2.5 μm波段散射效率模拟 (e) FT-IR透射光谱 (f) XRD衍射图谱 (g) XPS全谱 (h) Cl 2p谱 (i) TGA热重曲线

图3验证动态光学性能：Co-ETA溶液遇水后600-700 nm吸收峰减弱（图3a），薄膜湿润后平均反射率提升至93%（图3b）。因Co-ETA的N-H、C-O等化学键振动，湿润薄膜中红外发射率达~99%（图3c），性能优于商用棉织物（图3d），且循环500次后稳定性不变（图3e）。

图3 HSCF的动态光学特性 (a) Co-ETA/乙醇溶液加水前后的吸收光谱对比（插图为溶液变色照片） (b) 湿润过程中薄膜反射率变化（灰线→红线） (c) P(VdF-HFP)与Co-ETA/H₂O分子链的红外发射振动机制 (d) 湿润HSCF与干燥HSCF、白色/绿色棉的光谱性能对比 (e) HSCF与其他彩色制冷器的光学性能对比

户外实测与应用前景

图4的户外实验（南京，2024年5月）显示：干燥中午（湿度34%，辐照1222 W/m²），HSCF降温4.7℃；高湿中午（湿度63%，辐照1245 W/m²）仍降温5.8℃（图4b-e）。夜间湿度89%时，平均降温4.5℃（图4f-g）。图5进一步演示应用：局部加湿区域温差达5℃（图5a）；作为帐篷遮阳层，比商用遮阳网多降温2.5℃（图5b-d）。能源模拟预测，该薄膜在南京年节冷量11.2%，兰州、广州分别达22.8%和11.7%（图5e-g）。

图4 HSCF的户外辐射制冷性能 (a) 户外测试装置示意图（左上角为南京气象信息） (b, c) 晴天（2024年5月18日）实时湿度、辐照与温度数据 (d, e) 阴天（5月21日）实时数据 (f) 夜间不同湿度下降温曲线 (g) 夜间HSCF与棉的平均温差对比

图5 实际应用与节能模拟 (a) 人体穿戴HSCF的可见光与红外热像图 (b) 制冷帐篷实物与热像图 (c) 帐篷实验期间的湿度与辐照数据 (d) 帐篷内部实时温度 (e) 南京市年节冷量数据 (f) 基准建筑与HSCF建筑的月冷量对比 (g) 不同城市年节冷量对比

总结与展望

该研究通过仿生策略攻克了彩色辐射制冷材料的湿度适应性难题，实现了全气候高效降温。其自驱动、可逆调控特性为智能织物（如汗液响应制冷服装）和建筑节能开辟新路径，有望推动辐射制冷技术在实际环境中的大规模应用。

来源：高分子科学前沿

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