文献前沿丨Composites Part B：用于日间辐射冷却嵌入中空TiO₂的PVDF薄膜：兼具协同光学选择性与环境耐久性

随着全球制冷能耗的持续攀升，无需外部能源输入的被动日间辐射制冷（Passive daytime radiative cooling，PDRC）技术凭借其绿色、可持续的特性，引发了广泛关注。然而，传统无机颗粒-聚合物复合材料存在明显短板：太阳反射率受实心颗粒散射效率限制，且户外耐久性欠佳，这些问题严重制约了其实际应用。为攻克这一难题，本研究研发了一种具备中空-多孔协同结构的复合薄膜。该薄膜通过将中空TiO₂纳米颗粒（hollow TiO2 nanoparticles，HTPs）均匀地嵌入聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）基质中，并利用蒸发诱导相分离工艺形成多孔表面结构。该设计巧妙地整合了纳米尺度的中空共振散射与微米尺度的多孔扩散散射机制，使得复合薄膜的太阳反射率高达94.7%、红外发射率达95.3%，在户外环境下可实现11.8℃的亚环境冷却效果。同时，多孔结构赋予其122.9°的高水接触角，使其兼具出色的疏水抗污性能。经紫外线照射、磨损等加速老化测试后，其光学性能依然保持稳定。此外，该复合薄膜的制备工艺简单可控，具备规模化生产的潜力。这种新型材料在建筑围护结构、交通运输装备、户外电子设备等领域具有广阔的应用前景。它不仅能有效降低制冷能耗，还能提高设备运行的稳定性，为PDRC技术的实际规模化应用提供了高效可行的解决方案，具有重要的工程应用价值和环保意义。相关工作以Hollow TiO₂-embedded PVDF films with synergistic optical selectivity and environmental durability for passive daytime radiative cooling发表于Composites Part B期刊。

本文围绕提升被动日间辐射制冷材料的光学性能与环境耐久性，设计了中空TiO₂嵌入多孔PVDF的复合薄膜。首先，文章展示了HTPs的合成路径与薄膜制备流程（图1a-b）；通过TEM与HRTEM图像确认了HTPs的中空结构与结晶性（图1c-d）；SEM图像显示HTPs/PVDF薄膜形成1–3μm的多孔结构，与太阳光谱匹配（图1f）；FTIR光谱揭示了PVDF分子振动带来的高红外发射特性（图2a）；光谱测试表明HTPs/PVDF薄膜太阳反射率达94.7%，红外发射率达95.3%（图2b-c）；FDTD模拟揭示了中空结构与多孔基质在增强光散射中的协同作用（图2d-f）；室内太阳模拟实验显示出HTPs/PVDF薄膜比环境温度低5.7°C（图3a-b）；户外实测中，该薄膜实现最高11.8°C的亚环境冷却（图3g-h）；车辆模型实验表明，覆膜车顶比未覆膜车内温度低约8.5°C（图4a-c）；耐久性测试显示薄膜具备122.9°高接触角、良好抗污性与机械稳定性（图4d-f）。结果表明，该薄膜太阳反射率94.7%、红外发射率95.3%，最大亚环境冷却11.8°C，且具备优异的环境耐久性。

图1.（a）HTPs合成示意图。（b）HTPs/PVDF薄膜制备流程示意图。（c）HTPs的TEM图像与（d）HRTEM图像。（e）HTPs/PVDF的光学照片与（f）SEM图像。

图2.（a）HTPs/PVDF、TPs/PVDF与PVDF薄膜的FTIR光谱；（b）PVDF、TPs/PVDF及HTPs/PVDF薄膜的太阳反射光谱与（c）红外发射率光谱；（d）TPs与（e）HTPs的模拟散射效率；（f）孔隙结构的模拟散射效率。

图3.（a）室内反射冷却测量装置示意图；（b）薄膜加热前后的红外热像图；（c）实验装置示意图与（d）实物照片；（e）记录的环境湿度与风速；（f）实时太阳辐照度；（g）PVDF、TPs/PVDF和HTPs/PVDF薄膜覆盖腔体内的空气温度记录；（h）环境空气与薄膜覆盖腔体之间的温度差异。

图4.（a）车辆模型实景图；（b）日光照射期间车辆模型内部温度记录；（c）覆膜与未覆膜车辆模型内部温差；（d）PVDF与HTPs/PVDF薄膜表面水滴形态图；（e,f）PVDF与HTPs/PVDF薄膜在水滴冲洗前后的表面状态对比图。

小结：本研究成功研制出一种具备多层次结构的中空TiO₂/PVDF复合薄膜，该薄膜借助两种互补的光学机制展现出卓越的辐射制冷性能。其中，中空TiO₂纳米颗粒作为亚微米级共振散射体，能够引发米氏共振以及空腔内部反射，进而有效增强可见光波段的背向散射，同时抑制太阳光吸收；而通过相分离形成的多孔PVDF基质，凭借其微米级互联孔隙，可实现近红外区域的多重散射以及光线角向的再分布。这种共振散射与扩散散射在多尺度上的协同效应，使得该材料获得了94.7%的宽谱带太阳反射率和95.3%的中红外发射率，在阳光直射条件下，能够实现比环境温度低11.8℃的制冷效果。除优异的光学性能外，TiO₂外壳还赋予材料出色的紫外线阻隔能力，多孔结构则进一步提升了材料的疏水性与防污性能，保障其在户外能够长期稳定运行。本研究证实，通过在不同尺度上合理耦合中空粒子的共振机制与多孔基质的扩散机制，可为设计耐用、高效且可规模化生产的被动日间辐射制冷材料提供有效途径。该研究为如何通过调控尺度依赖的散射模式来优化聚合物基复合材料的辐射制冷性能提供了重要的理论支撑。

论文信息：Yuhan Zhang, Zhixin Sun, Ziqi Dong, Fangzheng Qi, Xiaodong Yang, Bo Xu, Guang-Ning Liu, Yiqiang Sun, Cuncheng Li. Hollow TiO₂-embedded PVDF films with synergistic optical selectivity and environmental durability for passive daytime radiative cooling. Composites Part B, 2026, 310: 113180.

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