香港城市大学曹之胤/长春光机所李炜Nature Sustainability：光致发光赋能彩色辐射致冷，兼具美观与高效降温

随着全球气候变化的加剧和能源危机的加深，如何在建筑设计中实现可持续降温，成为城市发展面临的重要挑战。被动辐射制冷作为一种新兴的可持续制冷技术，能够通过反射太阳光和发射热辐射有效降低碳排放。然而，传统辐射致冷材料以“超白”特性为主，这在大规模城市应用中面临美学需求与城市微气候、行人热舒适性与视觉舒适性之间的矛盾。为解决该问题，香港城市大学曹之胤教授团队联合中科院长春光机所李炜教授团队，受珊瑚光适应机制启发，开发出一种基于光致发光的彩色被动辐射冷却材料(photoluminescence-based aesthetic composites, PLACs)。通过稀土掺杂荧光材料的光转换能力与光学设计，实现了散射白度与色彩增强以及冷却性能的解耦。这种材料不仅呈现出亮丽且角度不敏感的绿色、黄色和红色外观，还在荧光发射波段达到超过100%的光谱反射率（峰值高达141%），并在户外测试中实现了2.2-3.7℃的亚环境降温效果。同时，材料适当的白度有效缓解了城市环境中因阳光反射聚集导致的热应激和视觉压力。该复合材料还具有优异的耐久性、兼容性和稳定性，可广泛应用于建筑、纺织品等领域，提供兼具美学与高效能的解决方案，为未来城市可持续发展提供了新思路。

相关研究成果近期以“Photoluminescent Radiative Cooling for Aesthetic and Urban Comfort”为题，在线发表于《Nature Sustainability》。香港城市大学曹之胤教授、长春光机所李炜研究员为共同通讯作者，香港城市大学博士后付洋为第一作者。此外，香港城市大学Andrey L. Rogach教授，长春光机所李龙男研究员，中国建筑西南设计研究院薛晓博士等也参与了该工作。

【背景】被动辐射致冷与“超白”难题

被动辐射致冷（Passive Radiative Cooling, PRC）是一种通过反射太阳光和发射热辐射实现降温的技术。其核心原理是将热量直接辐射到大气的透明窗口（8-13 µm波段），借助地球与宇宙的温差实现表面降温。PRC 技术无需额外能源支持，具有极高的能源效率与环保特性，被认为是未来建筑节能的关键技术之一。 然而，为了实现全天候的制冷效果，传统PRC材料通过“超白”外观实现高效的太阳光反射，从而降低太阳热负荷并实现良好的冷却效果，但也带来了以下难题：（1）美学局限——超白材料在现代化城市建筑中不易融入环境设计，缺乏视觉吸引力，且容易造成视觉污染。（2）城市热陷阱效应——超白表面在城市峡谷（如高楼密集区域）中会加剧阳光反射和聚集，使阳光在建筑墙面间多次反射并最终被地面吸收，导致行人区域温度升高，增加热应激和不适感。（3）制冷限制——在尝试加入颜色以提升美观时，彩色化往往导致可见光吸收增加，显著降低冷却性能。因此，如何在保证高效冷却性能的同时实现色彩多样化，成为传统PRC材料面临的重大技术挑战。

图1 PLAC设计原理及视觉外观

【研究思路】珊瑚启发的能量转化机制

珊瑚能够通过光致发光（Photoluminescence, PL）吸收高强度短波光并重新发射长波光，不仅减轻了热应激，还能维持生态系统的光能平衡。这一机制为实现彩色化与冷却性能的平衡提供了重要指导。受此启发，团队开发了一种基于稀土掺杂荧光体的光致发光被动辐射冷却材料（PLACs）。通过光致发光技术，PLACs 能够将吸收的太阳光转化为长波光重新发射，从而减少热能积累。这种材料不仅具备高效冷却性能，还能呈现角度无关的明亮色彩（如绿色、黄色和红色），真正实现了美观与功能的结合。其光学设计如图1所示，PDMS作为有机框架提供基础红外发射能力，同时具备良好的机械性能与基底兼容性；稀土掺杂的荧光体（(Ba,Sr)2SiO4:Eu,Y3(Gd,Al)5O12:Ce,and (Sr,
Ca)AlSiN3:Eu）提供光转化功能，并赋予材料绿色、黄色和红色的外观；氧化硅纳米颗粒的引入不仅提高了红外发射率，还协助荧光体的均匀分散。其选择性的瑞利散射进一步提升了荧光体对短波光的捕获能力，同时抑制了因米散射带来的荧光发射再吸收，最终实现了荧光增强与散射白度（scattering-induced whiteness）的光学解耦。相较于非荧光彩色材料（NPACs），PLAC在环境光下显现出相似的颜色，但在紫外照射和太阳光照射下，则呈现出更明亮的颜色和更低的温度。这种独特的设计有效平衡了彩色化与制冷性能的需求，为彩色被动辐射致冷提供了全新的解决方案。

图2 光学及色彩表征

【光学表征】分光-荧光光度法

对于传统PRC材料，其太阳波段光谱反射率通常由UV-VIS-NIR光谱仪测定。由于光谱仪的前置分光特性，每个入射波长下的样品反射光强会被探测器记录，并根据标准白板进行归一化处理，从而获得该波长下的反射率。然而，对于荧光材料，光致发光过程中产生的发射光会被探测器误判为反射光，导致测得的结果为伪反射率（pseudo reflectance）。针对此问题，团队提出了一种分光-荧光光度法（Spectro-fluorescence-photometry, SFP），用于精准区分反射光与发射光。如图2所示，该方法分为以下两步：（1）在UV-VIS-NIR光谱仪中引入短通滤光片，滤除荧光发射光，测得材料在激发波段的精确反射率（exact reflectance）；（2）通过荧光光谱仪表征材料在不同波长激发下的吸收和荧光转化效率，重构其在发射波段的等效反射率（effective reflectance）。基于此方法，能够对荧光材料的光转化效率进行精确优化，并获得等效反射率及对应的色度性能。对于绿色、黄色、红色三种外观，经过优化后的光转化效率分别为54.1%，53.4%和62.9%，太阳光总反射率为91.7%，93.2%和90.2%。值得注意的是，在荧光发射波段内，这些材料的等效光谱反射率均超过100%，最高可达141%，充分体现了光转化过程在提升光学性能中的贡献。

图3 制冷性能及节能评估

【制冷性能与城市兼容性】兼具节能与城市舒适度提升

在太阳光模拟器照射下，三种PLACs表现出鲜明的颜色外观，其红外观测温度与传统白色PRC材料接近，证明其太阳热负荷通过光致发光得到了有效控制。实际户外测试中，在正午时段太阳直射条件下（660-750W/m2），PLACs的表面温度比环境温度低2.2-3.9℃，比非荧光彩色材料低6.1-7.9℃，其净制冷功率可达20.1-44.4W/m2。此外，相较于传统建筑表皮，PLACs每年可实现13-63GJ的制冷节能效果，展现出显著的能源效率优势。

图4 城市光热环境影响评估

在上述制冷与节能分析的基础上，团队进一步评估了PLACs对于城市光热环境的影响。传统PRC材料为了最大化制冷效果，通常需要直面外太空，因此主要适用于屋顶等横向表面。然而，建筑约70%的表面积为竖立面，传统PRC材料在这些区域不仅无法实现有效的辐射致冷，其“超白”特性还可能导致太阳光在相邻建筑表面间多次反射，最终被地面吸收，从而破坏城市微环境并加剧城市热岛效应。这种影响对于高密度建筑城市（如香港）尤为明显。相比之下。PLACs的光转化策略能够在提升色彩表现的同时，适当降低建筑表面的白度，从而有效减弱城市峡谷中的太阳光聚集效应，显著改善城市光热环境并提升行人舒适度。研究团队通过结合城市冠层模型与眩光分析，评估并对比了PLACs和传统超白PRC材料（如辐射制冷陶瓷）对于城市微观光热环境及行人舒适性的影响。结果如图4所示：相较于传统超白PRC材料，使用PLACs作为建筑表皮可将平均辐射温度（Mean Radiant Temperature）降低9.3℃，并将地面温度降低4.2℃。通过对不同波段的功率分解发现，这种改善主要来源于短波辐射（即太阳光多次反射和吸收）的减少。此外，PLACs较低的白度还可以有效降低城市峡谷中因太阳直射时的眩光现象，从而提升行人的视觉体验。对于不同气候条件，PLACs最高能够提升行人视觉舒适性和热舒适性分别约5.8%和8.6%，进一步展现了其在城市应用中的综合优势。

图5 多功能性及耐久性展示

此外，PLACs具备多种功能性和广泛的拓展性。其制作工艺兼容旋涂、刮涂、喷涂等多种方式，能与多种常见基底高效结合，展现出良好的大规模制备潜力。通过适当的表面处理，PLACs还可实现超疏水特性（疏水角达155°）。同时，PLACs的柔韧性使其在纺织品、电子设备等领域的应用成为可能，进一步拓宽了其实际应用范围。另外，PLACs还具有优异的耐久性，能够在多种环境条件下（如UV照射、自然气候和加速老化测试）保持稳定的光学性能，展现出卓越的实用价值和应用前景。

【总结】

综上所述，研究团队成功开发了一种基于光致发光的彩色辐射致冷材料PLACs，通过结合光学、色彩和热管理的协同设计，解决了城市表皮在美学、节能和环境改善方面的关键难题。该材料在实现多种鲜艳色彩的同时，依然表现出稳定的亚环境降温性能。通过精确优化的光转化机制，PLACs能够有效降低热负荷，提升制冷功率，展现出显著的节能潜力。同时其适当的白度能够有效降低城市峡谷内的阳光聚集效应，改善城市微气候，缓解城市热岛效应。相比于传统依赖单一白色外观的PRC材料，PLACs的“冷色彩”不仅能够降低视觉和热应激，还提升了在城市环境种的实际适用性，为应对全球变暖提供了更宜居的解决方案，并为促进公共健康做出了积极贡献。此外，PLACs的可扩展性和高耐用性使其更易融入现有的基础设施，展现出在全球范围内广泛应用的潜力。更重要的是，PLACs的光转换策略为光谱调控提供了一种新的方法，同时也为热管理、能量收集和传输开辟了新的研究视角。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01657-y