文献前沿丨Renewable Energy：基于波长转换功能的三明治结构材料实现高效全天候辐射冷却

在全球能源危机与气候变化背景下，辐射冷却材料（radiative cooling materials，RCMs）作为一种零能耗的降温技术，其发展备受瞩目。目前，主流RCMs多通过向聚合物基体添加二氧化钛（TiO₂）等高反射填料，实现对太阳光的反射。但这类材料在白天工作时，会吸收紫外及短波可见光，限制其亚环境冷却能力，高温季节尤为明显。为解决此问题，本研究设计并制备了一种具有波长转换功能的三明治结构复合材料。该材料以聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）为基体，核心是含夜光粉的中间层。该中间层可吸收对制冷不利的紫外光，并将其转化为可见光，底部的TiO₂反射层再将转换后的可见光高效反射，规避了TiO₂对紫外光的吸收问题。同时，材料顶层加入中空二氧化硅微球，增强了太阳光散射和红外热辐射。性能测试显示，该材料的太阳光反射率高达93.8%，大气窗口内发射率达90.7%。炎热夏季户外实测表明，其白天可比测试舱环境温度低15℃，夜间比外部环境温度低7.5℃，具备优异的全天候辐射冷却能力。此外，该材料还拥有出色的疏水自清洁能力和机械强度。本研究提出的光谱转换策略，为提升RCMs日间冷却性能提供了全新且可行的思路。该材料制备工艺简单、性能优异、经久耐用，为开发高效辐射冷却技术及推动其在建筑节能等领域的应用做出了重要贡献。相关工作以A sandwich-structured material with wavelength conversion functionality for all-day radiative cooling为题发表在Renewable Energy期刊。

本文针对RCMs在紫外波段存在显著吸收、限制其白天冷却性能的问题，设计了一种具有波长转换功能的三明治结构材料（图2）。本文阐明了其研究逻辑框架（图1）与光谱调控机制，并通过图3分析了TiO₂的光学参数及其紫外吸收问题。研究按照图4所示流程制备了样品（图5），并搭建了室外测试平台（图6），其测温系统精度经图7验证。通过图8-11系统研究了各单层材料的结构与冷却性能，优化了厚度与填料比例；基于上述结果，通过图12-14探究了不同组合结构（如15H/50Sr/50Ti）在全天候条件下的冷却性能。研究进一步通过图15的SEM图像表征了其微观形貌，通过图16-17分析了其荧光特性、反射率与发射率，并通过图18计算了其理论冷却功率。最后，图19-21验证了材料表面的自清洁性能与机械强度。实验结果表明，该材料白天可实现低于测试腔体15°C的降温，展现出高效的全天候辐射冷却能力。

图1.本研究逻辑结构示意图。

图2.夹心结构材料示意图。

图3.二氧化钛（TiO2）的光学参数。（a）折射率与消光系数（b）吸光度、透射率及反射率的模拟结果。

图4. RCM制备流程示意图。

图5.所制备样品的实物图。（a）自然光下（b）黑暗环境中。

图6. RC性能测试实验装置图。

图7.测试系统在不同温度下的温度测量结果。

图8.不同表面上表层材料的温度变化。（a）无基底表面（b）聚苯乙烯表面（c）铝箔表面。

图9.不同天气条件下表层材料的温度变化。（a）晴天（b）阴天。

图10.不同天气条件下表层材料的温度变化。（a-b）阴天（c-b）晴天。

图11.不同天气条件下底层材料的温度变化。（a-c）厚度为500μm的样品（分别对应晴天、阴天、多云天气）（b）厚度为1000μm的样品（分别对应晴天、阴天、多云天气）（g-i）不同厚度及不同质量分数的样品（分别对应晴天、阴天、多云天气）。

图12.所设计材料的结构示意图。

图13.不同天气条件下夹心结构材料的温度变化。（a）阴天（b）晴天（c）阴天（d）晴天。

图14.不同天气条件下夹心结构材料的温度变化。（a）阴天（白天）（b）晴天（白天）（c）阴天（夜间）（d）晴天（夜间）。

图15. 15H/50Sr/50Ti的扫描电子显微镜图像。（a）表层（b）中间层（c）底层（d）15H/50Sr/50Ti的厚度。

图16.中间层的荧光激发光谱与发射光谱。

图17. 15H/50Sr/50Ti在太阳波段与长波红外波段的反射率光谱及发射率光谱。

图18.非辐射系数hc=0、3、6、9和12 W・m-2・K-1时，15H/50Sr/50Ti在不同温差下的理论制冷功率。

图19.所设计RCM表层的耐久性。（a）静态接触角（b）不同污染物在表面的润湿性（c）表层表面对水不溶性固体污染物的清洁性能（d-e）表层表面对水溶性固体污染物的清洁性能。

图20.特定坡度下所设计RCM表层的耐久性（a）表层表面对水不溶性固体污染物的清洁性能（b-c）表层表面对水溶性固体污染物的清洁性能（d）粉尘污染下表层表面的风水协同清洁效果。

图21. 15H/50Sr/50Ti的强度测试图。

小结：该研究提出了一种光谱转换策略，有效制备出具有高太阳反射率的辐射冷却材料（radiative cooling material，RCM），从而实现全天辐射降温。研究开发了一种三明治结构的RCM，以聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）为基材。在顶层引入空心SiO₂微球，可有效散射阳光，增强太阳反射率；中间层嵌入夜光粉，能吸收紫外线并将其转换为可见光；底层TiO₂颗粒在可见光和近红外光谱范围内反射性强，但会吸收紫外线。而中间层将紫外线提前转换为可见光，避免了TiO₂颗粒对紫外线的吸收，中间层与底层结合，增强了材料在整个太阳光谱范围内的反射率。材料15H/50Sr/50Ti的太阳光反射率达93.8%，大气窗口辐射率为90.7%，理论白天净降温功率为70.91 W/m²。在炎热夏季的户外实验中，该材料展现出显著的辐射降温性能。高太阳辐照度下，其白天温度比气室温度低15°C，晚上比外部环境温度低7.5°C。此外，该材料在水平和倾斜表面均表现出优异的机械强度与卓越的自清洁性能，适合长期户外使用。该材料不仅性能优异、制作简便，还具有巨大的广泛应用潜力。此研究为高性能RCM的设计和制备提供了新的思路。

论文信息：Wentao Zhang , Xingchi Jiang , Zhu Cheng , Wenxin Hu , Enshen Long.A sandwich-structured material with wavelength conversion functionality for all-day radiative cooling.Renewable Energy, 2025, 255: 123839.

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