文献前沿丨Small：用于封闭空间透明辐射冷却的柔性自清洁Janus辐射器

随着全球对节能降耗需求的日益迫切，被动辐射冷却技术因其零能耗、可持续的特性成为研究热点。然而，在车窗、建筑幕墙等需要保持透明的应用场景中，传统透明辐射冷却器（Transparent Radiative Cooler，TRC）虽能透过可见光，却难以解决封闭空间内因温室效应导致的热量积聚问题。为解决上述难题，本研究提出并制备了一种具备Janus结构的透明辐射冷却器（the Janus Transparent Radiative Cooler，JTRC）。该器件采用三明治式结构，顶部为乙烯四氟乙烯（ethylene tetrafluoroethylene，ETFE）选择性发射层，确保其在大气窗口（8–13 μm）的高效散热；中间为经光学优化的TiO₂/Ag/TiO₂介质-金属-介质复合红外反射层（结合布拉格反射器），在不牺牲可见光透过率的前提下，实现了高达80%的近红外反射率，有效阻挡外部热输入；底部为PDMS宽带发射层，其红外吸收率达93.7%，可高效吸收封闭空间内积累的热量。户外实测结果表明，在封闭空间内，JTRC可将内部温度降至比传统透明辐射冷却器低20°C，比仅具有红外反射功能的样品低7°C，首次在保持透明的同时实现了对温室效应的有效抑制。此外，通过自组装单分子层修饰，器件表面水接触角提升至125°，赋予了其自清洁功能；经摩擦与紫外老化测试后，其光学及热辐射性能保持稳定。该器件结构简单、柔性可弯曲、易于规模化制备，在汽车天窗、建筑玻璃幕墙等需兼顾透明与热管理的封闭空间场景中展现出广阔的应用前景。相关工作以Flexible Self-Cleaning Janus Emitter for Transparent Radiative Cooling in Enclosed Spaces为题发表于Small期刊。

本文围绕解决封闭空间内透明辐射冷却的温室效应难题，设计并制备了具有Janus三层结构的柔性透明辐射冷却器（图1a-g）。首先，对红外反射器中的TiO₂/Ag/TiO₂介质-金属-介质层及SiO₂/TiO₂布拉格反射器厚度进行优化，在不牺牲可见光透过率的前提下最大化近红外反射率（图2a-f）。基于优化参数，依次在ETFE薄膜上沉积红外反射多层膜并浇注PDMS作为底部宽带发射层，成功制备了SE、SE-IR及JTRC三种样品（图3a）；SEM图像揭示了红外反射器的多层结构（图3b）。光谱测试表明，JTRC在可见光波段透过率约60%，近红外反射率达79.6%（图3c）；在长波红外区域，其顶部大气窗口发射率为71.2%，底部宽带发射率高达93.7%，实现了Janus双面功能（图3d）。理论计算显示，JTRC因大幅降低太阳热输入，其平衡温度较SE低约60K（图4a-c）；全球气候数据分析表明，JTRC在世界多数地区具有正冷却功率，尤其在利雅得等高辐照度区域优势显著（图4d-e）。户外实测中，首尔地区JTRC使封闭空间内部温度较SE降低11.2°C，较SE-IR降低4°C（图5a-d）；利雅得实测中最大降温幅度达20°C。通过自组装单分子层修饰，JTRC表面水接触角从90°提升至125°，且光学与热辐射性能保持不变（图6a-e）；经摩擦与紫外老化测试后，其光谱特性、发射率及疏水性均无明显衰减（图6f-i）。结果表明，该器件可见光透过率~60%、近红外反射率~80%、底部发射率>90%，户外实测最高降温20°C，且兼具自清洁与机械/紫外稳定性，为封闭空间透明辐射冷却提供了有效解决方案。

图1.Janus透明辐射冷却器（JTRC）的概念与设计。a)JTRC的结构示意图，由选择性发射体（SE）、由介质/金属/介质结构和布拉格反射器构成的红外反射器，以及宽带发射体（BE）组成。该器件能透过可见光、反射近红外光、在大气窗口（AW）具有高发射率，并能从下方的封闭空间吸收热量。b)JTRC的理想透过率和反射率光谱，浅橙色阴影区域表示来自标准直接光谱（AM 1.5D）的光谱辐照度。c)大气窗口（AW，蓝色阴影区域）和d)黑体辐射（深橙色阴影区域）范围内的理想发射率光谱。e)SE（仅ETFE）冷却器、f)SE-红外反射器（ETFE和红外反射器）冷却器以及g)JTRC（SE、红外反射器和BE）分别作用于封闭空间的示意图和工作原理。

图2.红外反射器的优化。a)在Ag层厚度固定为22 nm时，两个TiO₂层（D1和D2）厚度变化下的T̅VIS和bR̅NIR的模拟等高线图。c)优化后的TiO₂/Ag/TiO₂结构的光学特性光谱。d)在D1为30 nm、Ag为22 nm、D2为29nm的条件下，SiO₂和TiO₂层（D3和D4）厚度变化下的T̅VIS和e)R̅NIR的模拟等高线图。f)优化后的TiO₂/Ag/TiO₂/SiO₂/TiO₂结构的光学特性光谱。ETFE薄膜和PDMS的折射率设为1.4。

图3.a)制备的三个辐射冷却器样品的光学照片（每个尺寸为5cm×5cm）。标识的使用已获得浦项科技大学和高丽大学的许可。b)红外反射器的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺：100nm）。c)三个制备样品的太阳光谱。d)三个制备样品的长波红外光谱。

图4.SE和JTRC在封闭空间上的辐射冷却性能。a)SE（虚线）和JTRC（实线）的热通量；b)当hcc=8Wm⁻² K⁻¹时的冷却功率Pcool；c)不同hcc下冷却功率为零时的平衡温度；d)全球太阳辐照度气候数据库，包括六个选定城市；e)SE与JTRC在全球范围内的冷却性能差异，包括六个选定城市。该计算基于NASA兰利研究中心（LaRC）POWER项目提供的2022年7月平均地表温度和太阳辐照度数据，该项目得到NASA地球科学/应用科学计划的支持。

图5.户外温度测量。a)测量系统的示意图和b)照片。c)2024年9月24日在韩国首尔测得的温度数据曲线。d)上午11点至下午1点之间每个样品的平均温度。

图6.a)经过自组装单分子层（SAM）涂层处理前后，JTRC的水接触角（WCA）。b)正面和c)背面在SAM涂层处理前后的反射率与透过率。d)正面和e)背面在SAM涂层处理前后的发射率。f)JTRC的耐久性测试流程。经过耐久性测试后，JTRC的g)反射率与透过率、h)发射率以及i)水接触角（WCA）。

小结：本研究提出了一种Janus透明辐射冷却器件，它由三个关键部分组成：在大气窗口具有高发射率的SE、用于实现高太阳光反射率的红外反射器，以及用于在封闭空间内高效吸热的BE。该红外反射器采用了集成布拉格反射器的介质-金属-介质结构设计，并经过优化，能够选择性地增强可见光谱范围内的透明度，同时有效阻隔太阳光谱中的近红外波段。该设计在保持透明性的同时实现了有效的冷却性能。具体而言，JTRC的可见光透过率约为60%，近红外反射率约为80%。JTRC还解决了传统透明辐射冷却器的若干局限性。传统透明辐射冷却器会因温室效应导致封闭空间内热量积聚，而JTRC通过集成BE来减轻内部热量累积并提升整体冷却性能，相较于传统透明辐射冷却器，实现了最高达20°C的降温。其柔韧性使其能够应用于各种表面，从而拓宽了其实用范围。此外，JTRC的自清洁特性有助于通过防止灰尘和污染物积聚来维持长期的冷却效率，在全球范围内具备巨大的实际应用潜力。

论文信息：Junkeyeong Park, Hangyu Lim, Harit Keawmuang, Dongwoo Chae, Heon Lee, Junsuk Rho. Flexible Self-Cleaning Janus Emitter for Transparent Radiative Cooling in Enclosed Spaces. Small, 2025, 21, 202501840.

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