文献前沿丨Adv. Mater：自调节动态红外辐射冷却器，实现三重模式温度调控

近年来，被动辐射冷却技术因其零能耗散热的特性，在建筑热调节、电子冷却以及个人热管理等领域展现出巨大潜力。然而，由于传统静态辐射冷却材料光谱特性固定，无法同时满足亚环境冷却所需的选择性红外发射模式与超环境冷却所需的宽带红外发射模式，因此严重限制了其多场景适用性。为了解决上述问题，本文设计并制备一种具有自切换能力的动态红外辐射冷却器(dynamic infrared radiative cooler ，DIRC)，实现了亚环境、近环境以及超环境的三重模式温度调控。本文制备的DIRC具有三层结构，顶层由纳米多孔聚乙烯（polyethylene，PE）薄膜组成；中间层由聚甲醛（polyformaldehyde，POM）纳米纤维织物组成；底层由热响应型互穿聚合物网络（thermoresponsive interpenetrating polymer network，TIPN）水凝胶构成，实现了由温度触发的光谱自适应调控。实验结果表明，在亚环境冷却场景中其选择性红外发射率为81.6%，在超环境冷却场景下则自动切换为发射率高达94.1%的宽带红外发射模式，且在整个过程中太阳反射率稳定维持在约90%。DIRC不仅突破了传统材料在亚环境与超环境冷却场景中的性能限制，更通过大气水分自补给机制实现了持续稳定的工作性能。同时，DIRC在建筑节能、人体热管理及光伏冷却等多元场景中均展现出卓越的环境适应性与降温效果，为零能耗自适应热管理系统的开发提供了新的技术路径。相关工作以Self-Switching Dynamic Infrared Radiative Cooler Enabling Triple-Mode Temperature Regulation为题发表在Advanced Materials期刊。

本文从解决静态辐射冷却材料无法适应多场景应用的矛盾出发，制备了具有自切换能力的DIRC。本文制备的DIRC具有多层结构（图1），顶层由纳米多孔聚乙烯（PE）薄膜构成、中间层由聚甲醛（POM）纳米纤维织物构，低层则由热响应型互穿聚合物网络（TIPN）水凝胶构成。通过图2所示的分子振动工程与大气水分捕获机制，实现了由温度触发的光谱动态调控；由图3所示的光谱测试表明，DIRC在选择性发射模式下的8–13 μm波段发射率达81.6%，在宽带发射模式下的2.5–25 μm波段发射率达94.1%，且在整个光谱转换过程中太阳反射率始终维持在约90%的高水平。进一步研究其户外冷却性能（图4），在亚环境测试中，DIRC比静态选择性冷却器低2.1 °C；在超环境测试中，DIRC比宽带辐射冷却器低4.0 °C。与蒸发冷却效应结合时，其冷却功率可达654.9 W/m²。最终通过图5和图6分别验证了DIRC在人体热管理、光伏面板冷却与建筑节能中的应用效果，展现出在不同场景下的优异适应性以及巨大的节能潜力。

图1.动态红外辐射冷却器（DIRC）的结构设计、性能及应用：(A)选择性与宽带红外发射模式的辐射传热过程示意图。(B) DIRC由纳米多孔聚乙烯（PE）薄膜、聚甲醛（POM）纳米纤维织物及热响应型互穿聚合物网络（TIPN）水凝胶组成的三层结构示意图。(C) DIRC的特性，包括高太阳光反射率、动态红外发射调控功能、水分的收集与供应能力。(D) DIRC的三模式温度调控功能，可实现亚环境建筑冷却、近环境人体热舒适、超环境光伏面板冷却。在典型夏季环境温度为35°C的条件下，不同冷却对象的目标温度区间分别为：建筑室内（24–30°C）、人体热舒适（33–37°C）和高效光伏运行（40–50°C）。

图2. DIRC的动态红外发射机理与大气水分收集能力：(A) DIRC的设计原理。(B)基于温度调控分子振动工程的光谱动态调控机制。(C) POM分子的ATR-FTIR光谱曲线。(D)具有可控相变温度的TIPN水凝胶DSC曲线。(E)不同温度下PNIPAM与水分子的扩散系数。(F)不同温度下PNIPAM与海藻酸钙的平均氢键数量。(G)在25-40°C温度范围内，TIPN水凝胶在10 ns内的分子轨迹分析。(H)在不同加热温度下，TIPN水凝胶的质量损失。(I)在不同湿度下DIRC的吸水性能曲线。(J) DIRC在吸附(RH≈80%) /解吸(RH≈30%)循环中的性能曲线。

图3. DIRC的动态光谱特性：(A) DIRC在选择性发射与宽带发射模式下的太阳反射率及中红外发射率。(B)选择性发射与宽带发射模式下DIRC的发射率比值。(C) DIRC动态红外光谱的响应时间。(D,E) POM纳米纤维织物浓度分别为5%与10%时的SEM图像。(F,G) POM纳米纤维浓度分别为5%与10%时的纤维直径分布。(H,I)在纤维直径200-2000 nm范围内，POM纳米纤维在0.25-2.5 μm及8-13 μm波段的散射效率。(J)纳米多孔PE膜的中红外透射率。插图：其水接触角测试结果。(K)有无纳米多孔PE膜的DIRC在选择性与宽带红外发射模式下的太阳反射率对比图。(L)在亚环境及超环境条件下，选择性与宽带红外发射模式下DIRC的温度分布模拟计算。(M,N) DIRC在选择性与宽带红外发射模式下的净辐射冷却功率。

图4. DIRC的户外辐射冷却性能测试：(A,B)户外冷却性能测试的实验装置示意图与实物图。(C,D)亚环境与超环境冷却实验中不同冷却材料的实时温度曲线。(E,F)在不同环境温度与相对湿度下，纯辐射冷却器与耦合冷却器的温降计算结果。(G)纯辐射冷却器与耦合冷却器的温度差计算。(H)耦合冷却器的净冷却功率计算值。(I) DIRC与POM纳米纤维织物的实测冷却功率。(J)在2025年4月9日至11日连续三天户外实验中，DIRC的实时温度变化。

图5. DIRC的近环境与超环境冷却应用：(A) DIRC用于人体近环境辐射冷却的工作原理示意图。(B) DIRC、POM纳米纤维织物及商用棉布的实时温度对比。(C)地面与建筑表面的太阳辐射对人体产生热影响的示意图。(D)在垂直方向户外测试中，DIRC与多种纺织品的实时温度对比。(E)志愿者在晴天或者阴天穿着自制DIRC与棉质背心的光学与红外图像。(F)不同户外活动中，志愿者穿着棉质套袖与自制DIRC袖套的光学与红外图像。(G)光伏面板超环境冷却实验装置示意图。(H)有无DIRC的光伏面板的超环境冷却性能对比。

图6. DIRC的建筑节能效果：(A) DIRC作为建筑围护结构用于亚环境冷却的示意图。(B)中国十四个城市的年度总制冷能耗。(C,D)基于选择性与宽带红外发射模式的DIRC在中国各城市的年度总制冷节能预测量。右下角插图为南海诸岛的标准地图要素。(E)参考建筑与采用DIRC的建筑屋顶（I和II）及外墙（III和IV）的表面温度对比。

小结：综上所述，本文成功研制出一种具有自适应红外光谱调控能力的动态红外辐射冷却器，实现了亚环境、近环境以及超环境的三重模式的温度调控。该DIRC不仅克服了静态辐射冷却器针对单一操作场景的固有局限性，同时还具备92.4%的高太阳反射率和81.6%的选择性红外发射率。当切换至宽带发射模式时，其仍能保持90%的高可见光反射率以及94.1%的强宽带红外发射率。此外，通过与蒸发冷却的协同耦合，DIRC实现了654.9 W/m²的峰值冷却功率，与纯辐射冷却器的相比提升了三倍。可见，DIRC拥有卓越的冷却性能，分别可实现低于环境温度约5.3℃的亚环境冷却和低于热源温度约17.9℃的超环境冷却。DIRC的光谱自适应特性充分表明，它能广泛应用于建筑热管理、人体舒适度提升及电子设备高效冷却等不同场景，为零能耗自适应热管理系统的开发提供了新的技术路径。

论文信息：Liu J, Yan X, Wu W, et al. Self‐Switching Dynamic Infrared Radiative Cooler Enabling Triple‐Mode Temperature Regulation[J]. Advanced Materials, 2025: e11445.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：SpaceEnergy@163.com.