瞿金平院士、卢翔教授AM：受“珍珠层”启发！辐射+相变冷却，突破极限！

随着全球变暖加剧，极端热浪频发，建筑制冷能耗已占全球一次能源消耗的约15%，传统空调系统不仅耗能巨大，还进一步推高温室气体排放。被动日间辐射制冷（PDRC）被视作绿色替代方案，其通过“大气窗口”（8–13 μm）将热量以红外方式散逸到寒冷太空，无需电力即可降温。然而，现有PDRC材料制冷功率普遍低于150 W m⁻²，难以满足日益增长的制冷需求；若引入相变材料（PCM）补充潜热冷却，又容易因光学结构被破坏而牺牲反射率，陷入“高反射-高潜热-快传热”三者难以兼得的“三难”困境。

华中科技大学瞿金平院士、卢翔教授和北京大学彭雨粲研究员合作，受珍珠层-珍珠光学散射机制启发，提出“水预抽-冷冻干燥”一步成型策略，将核壳相变微胶囊（PCC）均匀嵌于微纤化纤维素（MFC）自组装层状骨架，制得具有仿生分级结构的“辐射-相变杂化制冷复合材料（MFC/PCC）”。该材料同时实现太阳反射率0.969、大气窗口发射率0.958、潜热132.1 J g⁻¹，实测制冷功率达创纪录的226 W m⁻²，日间平均降温10.1 °C，覆盖我国104座城市的建筑能耗模拟显示最高可削减制冷用电4.4%，等效年减排CO₂ 12.2亿吨。相关论文以“Bioinspired Hierarchical Radiative-Phase Change Hybrid Cooling Composite with Record-Breaking Cooling Power”为题，发表在

Advanced Materials

图1以贝壳珍珠层对可见光的多次散射为灵感，阐释了“层层反射+核壳散射”协同增强太阳波段反射的物理图像：MFC层状骨架如同珍珠层，PCC微球如同珍珠，二者折射率差异与多级孔洞共同造成广角散射，使材料在0.3–2.5 μm波段内几乎“无死角”地反射阳光；同时，PCC内的烷烃芯材在相变温度附近吸热软化，像“微型冰袋”般延缓温升。对比传统PDRC<150 W m⁻²的“天花板”，新设计首次把“辐射+潜热”两种制冷机制真正叠加到同一块材料且互不拖累，为后续实验数据埋下伏笔。

图1 仿生分级RPHC复合材料的设计及建筑节能潜力 a) 受珍珠层-珍珠结构启发的RPHC复合物设计思路；b) RPHC复合物的工作机理：层状MFC与核壳PCC协同散射阳光并通过大气窗口辐射散热，同时PCC吸热相变；c) MFC/PCC复合物兼具高反射、高发射、高潜热与柔性；d) 与传统PDRC及文献最高值相比，MFC/PCC制冷功率创新高。

图2a的制备流程图显示，关键在于“先抽走多少水”：把MFC与PCC按3:7混合后，先真空抽滤去除20–90 wt%的水，再冷冻干燥，即可调控孔径分布。SEM照片（图2b–d）揭示，若直接抽干（MFC/PCC-dry），PCC被挤压变形，孔洞塌陷，反射率仅0.478；而当抽走60%水后（MFC/PCC-60），MFC形成174 nm最可几孔径的层状多孔网络，PCC保持完整球体，太阳反射率跃升至0.969。图2e的压汞曲线进一步证实，60%水滤除比例使孔径分布与AM1.5太阳谱最匹配，散射效率最高；同时，所有样本在8–13 μm发射率均≥0.95，得益于MFC分子链上丰富羟基、醚键的本征红外振动。力学测试（图2g）指出，70 wt% PCC含量是“强度-潜热”甜蜜点：拉伸强度和断裂伸长率比60 wt%样品分别再提升31%和41%，而潜热仍高达132.1 J g⁻¹（图2h），循环200次后性能几乎不衰减（图S15），为后续户外长时间实验奠定基础。

图2 MFC/PCC复合物的光学与相变性能 a) 水预抽-冻干工艺示意；b) 直接抽干样品致密层状SEM；c) 60%水预抽样品分级多孔SEM；d) 两种制备路径差异卡通；e) 不同水滤除比例下的孔径分布；f) 反射率与发射率对比；g) 不同PCC含量力学性能；h) DSC曲线及潜热值；i) 与文献辐射-相变复合材料的反射率-发射率-潜热综合对比。

图3把实验室优势搬到真实天空。图3a的武汉夏季实地装置显示，样品悬于聚苯乙烯泡沫槽，底部贴热电偶，上方无任何遮阳，直接接受峰值≈1000 W m⁻²太阳辐照。温度曲线（图3b）中，MFC/PCC-60在正午比环境温度低12.4 °C，全天平均低10.1 °C，而相同光学厚度但无PCC的MFC-60仅低6.8 °C；若结构致密且无PCC的MFC-dry，温度甚至反高4.8 °C，直观证明“分级孔+相变”缺一不可。图3d–f的制冷功率动态量热平台进一步给出定量结果：在850–900 W m⁻²光照下，MFC/PCC-60平均制冷功率226 W m⁻²，远超玻璃、木、岩棉等常用建材，也刷新此前文献最高值（≈185 W m⁻²）。西双版纳热带季风气候重复实验（图3g）显示，即使湿度更大、太阳辐照降至700 W m⁻²，材料仍能连续5小时维持>150 W m⁻²，证实其在我国不同气候区的稳健性。

图3 MFC/PP复合物户外制冷性能 a) 亚环境温度测试装置；b) 武汉7月太阳辐照与样品温度曲线；c) 相对环境的最大与平均温差；d) 制冷功率测试平台；e) 样品照片；f) 武汉多日实测制冷功率对比；g) 西双版纳3月每小时制冷功率曲线；h) 与文献报道PDRC及RPHC材料制冷功率对比。

图4把材料做成“迷你小屋”的屋顶与四面墙体，直接对比实际建筑负荷。图4a示意红外辐射与相变潜热同步向外排热，图4d–e的西双版纳3月测试显示，MFC/PCC-60屋内空气温度比同期环境低14.9 °C，比岩棉和木结构分别低>5 °C；武汉9月实验（图4f–g）再次验证平均降温11.3 °C。连续数小时日照下，相变材料通过“白天吸热-夜晚放热”削峰填谷，使屋内温度曲线更平缓，减少空调启停频次。

图4 模拟房屋屋顶与墙体降温测试 a) 房屋测试原理与现场照片；b) 西双版纳3月16日太阳辐照；c) 同期风速与湿度；d) MFC-60与MFC/PCC-60屋内空气温度；e) 木材、岩棉对照屋内温度；f) 武汉9月23日测试温度曲线；g) 两地MFC/PCC-60相对环境的平均与最大降温幅度汇总。

图5把单点实验放大到全国尺度。研究团队以一座1608 m²两层商场为模板，用DEST2.0模拟在104座城市屋顶与外墙覆贴MFC/PCC-60后的全年制冷能耗。结果（图5a–c）显示，炎热如海南、云南年节能达45 MJ m⁻²，新疆、西藏等高原干热区亦超30 MJ m⁻²；即便在东北、青海等夏季短暂地区，节能率仍可达5–15%。换算为电力与燃气，单座商场每年可省1.36万度电、1393 m³天然气，等效减排8.16吨CO₂；若推广至全国，可年减碳12.2亿吨，相当于2023年全球温室气体排放量的3.3%。

图5 全国104城市节能模拟结果 a) 各省商场年制冷节能强度空间分布；b) 12个代表性城市年节能量；c) 对应节能百分比；d) 年源电力与源天然气节省量；e) 人均与全球潜在CO₂减排量估算。

这项研究从自然珍珠层获取光学灵感，用一条“控水-冻干”简单工艺同时解决高反射、高潜热与宏量制备的矛盾，把PDRC的制冷功率首次推上226 W m⁻²台阶，并给出可落地的建筑与碳减排路线图。作者指出，材料全部采用市售纤维素与烷烃，过程无有机溶剂，具备大规模卷对卷潜力；未来将进一步优化阻燃、耐候及与光伏组件的集成，为“零碳城市”提供一件会“呼吸”的降温外衣。