文献前沿丨Small：基于形貌可控 CaCO3的双模纳米复合薄膜，实现建筑冷热双向辐射调控

为实现建筑与环境的高效热管理，如何在不依赖外部能源的情况下实现冬季保温与夏季降温，一直是能源与材料领域的重要课题。传统的被动辐射冷却材料虽然能在白天实现降温，但无法在寒冷天气中提供加热功能，限制了全年能效的提升。针对这一问题，本研究提出了一种基于形貌可调控碳酸钙（CaCO₃）的双模辐射调控复合薄膜，可通过结构差异实现“制冷—加热”双功能切换。该设计利用多尺度CaCO₃颗粒与聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体的协同作用，在“制冷模式”下展现高反射率与高红外发射率，实现被动辐射冷却；而在“加热模式”下，通过分级结构与碳纳米管吸收层的设计，有效提升太阳吸收与抑制热辐射，实现高效集热。该策略为建筑、电子设备及能源系统提供了一种低成本、可切换、全年适用的温度调控新途径。相关成果以Morphology-engineered CaCO₃ enabling dual-mode nanocomposites for zonal radiative cooling and heating为题发表在Small期刊上。

本研究提出了一种基于形貌调控碳酸钙（CaCO₃）的双模纳米复合薄膜，实现了辐射冷却与太阳加热的可切换功能，为建筑分区温控提供新策略。研究首先构建了分别用于冷却与加热的两类薄膜结构，其中球形CaCO₃/PDMS复合层用于高反射−高发射的冷却模式，而PET-ITO结构实现了高吸收−低发射的加热模式（图1）。冷却模式通过多尺度CaCO₃颗粒调控光散射，实现了可观的太阳反射率与红外发射率，在室内实验中表现出显著的降温效果（图2）；加热模式则利用分级结构增强光吸收能力，展现出快速升温特性（图3）。室外测试进一步证实，两种模式在不同环境下均具备稳定的温度调控性能与高能效表现（图4）。最后，将该双模薄膜应用于建筑模型中，模拟结果表明其在不同气候条件下均可有效降低制冷和采暖能耗，具备实际应用潜力（图5）。

图1：双模式薄膜的制备与表征。(a) DRCF（辐射冷却模式薄膜）的制备流程示意图；(b) HRHF（光热加热模式薄膜）的制备流程示意图；(c)双模式薄膜集成于基底上的结构示意图；(d)球形碳酸钙（CaCO₃）颗粒的SEM图像；(e) DRCF的整体截面SEM图像；(f)海胆状CaCO₃颗粒的SEM图像；(g) HRHF吸收层表面的SEM图像；(h)双模式智能热管理薄膜的理想光谱设计示意图；(i) DRCF与HRHF在平铺与卷曲状态下的实物照片；(j)在800 W/m²太阳辐照下的红外热成像图。

图2：冷却性能测试。(a)球形CaCO₃、纯PDMS及多孔PDMS/CaCO₃复合材料的XRD图谱；(b)不同CaCO₃含量的梯度多孔PDMS/CaCO₃复合材料的太阳光谱反射率；(c)不同CaCO₃粒径（0.5、1、2.5、4 μm）条件下复合材料的太阳光谱反射率；(d)不同粒径CaCO₃颗粒的散射效率模拟结果；(e) CaCO₃散射效率随粒径变化的关系；(f)单峰、双峰与三峰样品的反射率与发射率光谱；(g)对应散射体的电场分布模拟结果；(h)三峰CaCO₃混合物在不同粒径比例（2.5、1、0.5 μm）的堆积密度；(i)单峰、双峰与三峰混合物的模拟堆积密度；(j)多尺度PDMS/CaCO₃单元的位移与应力分布模拟图；(k)室内冷却性能测试系统的示意图；(l)不同样品的温升与降温曲线；(m)对应的红外热成像图；(n) DRCF与其他典型辐射冷却材料的平均反射率与发射率对比分析。

图3：加热性能测试。(a)纯PDMS、碳纳米管（CNTs）及分级结构PDMS/CNTs吸收层的XRD图谱；(b)不同CNTs含量下平面PDMS/CNTs-PET-ITO复合材料的太阳光谱反射率；(c)表面结构化PDMS/CNTs-PET-ITO的反射率与发射率光谱；(d)分级表面结构PDMS/CNTs吸光机理示意图；(e) HRHF在不同入射角下的反射率光谱；(f)微结构与分级结构在不同入射角下的电场分布模拟结果；(g)室内加热性能测试系统示意图；(h)不同样品的升温与降温曲线；(i)对应的红外热成像图；(j) HRHF在不同入射角下的温升与降温曲线。

图4：户外辐射加热与冷却实验。(a)辐射加热与冷却测试装置实物图；(b)用于评估辐射加热与冷却性能的实验装置结构示意图；(c)冷却测试中箱内实时温度记录（平均湿度35%）；(d)环境温度与各样品之间温差的计算结果；(e)不同对流换热系数（hc）条件下DRCF的冷却功率；(f)加热测试中箱内实时温度记录（平均湿度50%）；(g)各样品与环境温度之间温差的计算结果；(h)不同对流换热系数（hc）条件下HRHF的加热功率。

图5：用于分区温度调控的双模式薄膜。(a)建筑模型测试装置实物图；(b)分区热管理系统示意图；(c)不同屋顶材料下的模拟温度分布；(d)采用不同屋顶材料的建筑模型实物照片及红外热成像图；(e)各区域内部实时温度变化曲线；(f)含DRCF与不含DRCF建筑模型的模拟制冷能耗与节能效果；(g)不同中国城市区域的模拟制冷节能比例；(h)含HRHF与不含HRHF建筑模型的模拟采暖能耗与节能效果；(i)不同中国城市区域的模拟采暖节能比例。

小结：本研究提出了一种基于形貌可控CaCO₃的双模纳米复合薄膜，通过调控微观结构实现辐射冷却与太阳加热的智能切换，为分区热管理和建筑节能提供了新思路。冷却侧由嵌入多孔PDMS的球形CaCO₃颗粒组成，加热面采用分层结构的PDMS/CNT复合材料，使用海胆状CaCO₃作为模板，并与低辐射PET/ITO层增强太阳能吸收和抑制红外热损失，实现了高反射−高发射与高吸收−低发射两种功能模式。研究表明，冷却模式的平均太阳反射率超过95%，中红外发射率约为0.97，可实现显著的被动降温效果；加热模式则通过分级结构增强了光吸收能力，实现快速升温与高热能转化效率。室外实测与模拟结果进一步证实，该双模薄膜在不同环境湿度与气候条件下均能维持稳定的性能表现，在制冷与采暖两方面均具备明显的节能潜力。尤其在建筑应用中，该策略可根据环境需求自适应调节温度分区，实现全年能耗优化，展示出在智慧建筑、可持续能源利用及多功能热管理领域的广泛应用前景。

论文信息：Li X, Fan X, Yang R, et al. Morphology‐Engineered CaCO3 Enabling Dual‐Mode Nanocomposites for Zonal Radiative Cooling and Heating[J]. Small, e09710.

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：wangcunhai@ustb.edu.cn