辐射制冷与太阳能加热切换-单层热致变色膜

论文信息：

Hongmei Zhong, Wenxiang Ding, Yi Xiao and Weisheng Cui, A Single-Layer Thermochromic Film for Switchable Radiative Cooling and Solar Heating, ChemistrySelect, 10, e02138 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1002/slct.202502138

研究背景

随着全球气候变暖问题日益严峻，传统冷却技术所依赖的压缩制冷等方式不仅能耗高，还会加剧温室气体排放，因此寻求一种清洁、可持续的冷却策略成为研究热点。被动辐射冷却技术通过将地表热量以热辐射形式通过大气窗口（8-13 μm）传递至低温的宇宙空间（约3 K），实现零能耗降温，展现出巨大的应用潜力。然而，现有的辐射冷却材料多为静态设计，其高反射和高发射特性在寒冷环境下会导致“过冷”现象，反而增加供暖需求与能源消耗。因此，开发一种能够根据环境温度自动切换冷却与加热模式的智能热管理材料，成为当前研究的重要方向。理想情况下，这种材料应能在低温时吸收太阳能进行被动加热，在高温时反射太阳能并增强热辐射以实现冷却，且整个过程无需外部能量输入。目前已有研究通过双层结构（如机械翻转、电控切换等方式）实现模式切换，但这些方法结构复杂、成本较高，且难以实现完全被动响应。因此，构建一种单层、自适应、可大规模制备的智能热管理薄膜具有重要的科学意义和实际应用价值。

研究内容

本文研究设计并制备了一种单层热致变色薄膜，其由聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质、二氧化硅（SiO2）微米颗粒、二氧化钛（TiO2）纳米颗粒和热致变色微胶囊组成。该薄膜能够根据环境温度变化自动调节其对可见光的吸收与反射行为，从而实现被动式的冷却与加热模式切换。

该热致变色薄膜的工作原理和结构组成如图1所示，图1(a)说明了薄膜在高温和低温环境下的工作模式：高温时呈现白色，反射大部分可见光，实现辐射冷却；低温时变为灰色，吸收可见光，实现太阳能加热。图1(b)所示为薄膜的四元结构，PDMS作为基质提供高红外发射率，SiO2微米颗粒增强大气窗口内的热辐射，TiO2纳米颗粒负责高太阳光反射，热致变色微胶囊则负责根据温度变化调节可见光吸收。该结构设计简洁、成本低，适用于大规模建筑应用。

图1.可切换辐射冷却与太阳能加热功能的热致变色膜示意图；(a) 热致变色膜通过响应温度变化调节可见光谱以实现功能切换的工作机理；(b) 热致变色膜的组成包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体、热致变色微胶囊、二氧化钛（TiO2）纳米颗粒以及二氧化硅（SiO2）微米颗粒。

然后本文研究又通过对比不同温度下四种样品的反射光谱，系统地分析了各组分的功能及其配比对光学性能的影响。图2(a)-(d)所示为在20 °C、25 °C、30 °C和35 °C下，热致变色薄膜与三种对照样品（Ref1：PDMS/TiO2；Ref2：PDMS/SiO2；Ref3：PDMS/TiO2/SiO2/微胶囊，配比不同）在300–1000 nm波段的反射率变化。结果表明，Ref1始终具有接近100%的高反射率，凸显了TiO2在太阳反射中的关键作用；Ref2反射率最低，说明SiO2含量不宜过高；Ref3和热致变色薄膜均表现出温度响应性，但Ref3因TiO2含量较低而反射率下降。最终确定最优配比为PDMS:TiO2:SiO2:微胶囊=10.8:0.1:0.1:1，在35 °C时可见光反射率达94%，20°C时降至81%，实现了13%的可见光调制能力（图2(e)所示）。这一结果为薄膜在不同温度下的自适应行为提供了直接的光学证据。

图2. 热致变色膜及对照样品在不同温度下的太阳光反射特性；(a) 四种样品在20 ℃时，波长300-1000 nm范围内的反射率；(b) 四种样品在25 ℃时，波长300-1000 nm范围内的反射率；(c) 四种样品在30 ℃时，波长300-1000 nm范围内的反射率；(d) 四种样品在35 ℃时，波长300-1000 nm范围内的反射率；(e) 四种样品在上述四个温度下，可见光波段（380-760 nm）的平均反射率。

其次本文研究又进一步展示了薄膜的微观结构和温度依赖的光学性能。图3(a)和(b)分别显示了薄膜在20 °C和35 °C下的宏观颜色变化，从灰色变为白色。图3(c)-(f)所示的SEM图像显示各组分（热致变色微胶囊、SiO2微米颗粒、TiO2纳米颗粒）均匀分散在PDMS基质中，且TiO2粒径约300 nm，适于米氏散射；微胶囊粒径1–3 μm，也有助于近红外散射；SiO2粒径约10 μm，有助于增强热辐射。图3(g)和(h)分别展示了薄膜在不同温度下的太阳光反射率和红外发射率曲线。结果表明，尽管全波段太阳反射率调制幅度较小（0.92→0.89），但可见光波段13%的调制足以支撑模式切换，因为可见光占太阳总能量的43%。红外发射率则保持在0.91左右，基本不随温度变化，说明PDMS和SiO2的热稳定性良好。

图3.热致变色膜微观结构与光学性能示意图；(a) 温度为20 ℃时，热致变色膜外观呈灰色；b) 温度为35 ℃时，热致变色膜外观呈白色；(c) 热致变色膜的扫描电子显微镜（SEM）图像：绿色圆圈标注的颗粒为热致变色微胶囊，橙色圆圈标注的颗粒为二氧化硅（SiO2），蓝色圆圈标注的颗粒为二氧化钛（TiO2）；(d) 二氧化钛（TiO2）纳米颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像；(e)热致变色微胶囊的扫描电子显微镜（SEM）图像；(f)二氧化硅（SiO2）微米颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像；(g)热致变色膜在不同温度下的太阳光反射率；(h) 热致变色膜在不同温度下的红外发射率。

本文研究最后进行了户外应用性能验证，通过差示扫描量热（DSC）和户外实测验证了薄膜的热响应性能与实际应用效果。图4(a)和(b)所示的DSC曲线显示，薄膜在冷却过程中于24 °C出现吸热峰（白→黑转变），加热过程中于29 °C出现放热峰（黑→白转变），说明其相变温度略低于微胶囊原始温度（28 °C），但仍具有良好的热响应性。图4(c)-(g)所示为在深圳典型秋日进行的屋顶实验布置和温度记录结果。实验使用木制建筑模型，覆盖薄膜样品，并监测其内部温度变化。结果显示，在低温早晨，薄膜温度比裸露木模型高约1 °C，说明其吸收太阳能实现加热；在高温中午，薄膜温度比木模型低约2 °C，说明其有效实现了辐射冷却。此外，薄膜的疏水角达120°，具备自清洁能力，各组分商业可得、热稳定性好，具备实际应用潜力。

图4.热致变色膜的自适应热管理性能；(a) 热致变色膜的差示扫描量热（DSC）曲线；(b)热致变色微胶囊的差示扫描量热（DSC）曲线；(c)深圳典型秋日（2024年10月3日）的环境条件；(d) 清晨低温时段的屋顶测试场景：从左至右分别为PDMS/TiO2膜（对照样品1，Ref1）、裸木、热致变色膜；(e) 正午高温时段的屋顶测试场景：从左至右分别为PDMS/TiO2膜（对照样品1，Ref1）、裸木、热致变色膜；(f) 低温环境下，热致变色膜覆盖模型、裸木模型、PDMS/TiO2膜覆盖模型及环境空气的温度记录；(g) 高温环境下，热致变色膜覆盖模型、裸木模型、PDMS/TiO2膜覆盖模型及环境空气的温度记录。

结论与展望

综上所述，本文研究成功设计并制备了一种基于PDMS基质的热致变色单层薄膜，通过引入SiO2微米颗粒、TiO2纳米颗粒和热致变色微胶囊，实现了对太阳可见光波段的自适应调节，从而在不同环境温度下被动切换冷却与加热模式。且该薄膜在35 °C时可见光反射率达94%，20°C时降至81%，具备显著的可见光调制能力；其红外发射率稳定在0.91，太阳反射率虽调制幅度小但可见光部分变化显著；通过户外实验进一步证明其在实际环境中可实现1 °C的升温和2 °C的降温效果，表现出良好的热管理性能。该研究为开发智能、自适应、被动式的热管理材料提供了新思路，具有重要的科学价值和应用前景，为实现建筑节能和碳中和目标提供了可行的技术路径。