Nano Energy | 耐用、透气且天气自适应的自组装颗粒涂层用于辐射冷却与能量收集

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研究背景

实现净零排放的迫切需求推动了节能技术的发展。辐射冷却因其自给自足和成本效益高的特点，在降低建筑冷却能耗方面展现出巨大潜力。然而，辐射冷却技术在不同天气条件下面临严峻挑战：一方面，多数聚合物基材料在长期阳光照射下会发生紫外降解和发黄，导致冷却性能衰减；另一方面，辐射冷却在阴雨天因大气透射率低、太阳辐射被遮挡而基本失效。因此，亟需开发一种能够适应多种天气、兼具稳定辐射冷却与雨天能量收集功能的全天候材料。

针对上述问题，本研究利用DMF和HFIP二元溶剂体系与PTFE纳米颗粒之间的差异相互作用驱动颗粒自组装，通过简单的溶液浇铸法成功制备了多孔PTFE涂层。该涂层独特的跨尺度多孔结构使其具备高效太阳反射和热发射能力，同时PTFE本征的抗紫外老化特性赋予涂层卓越的户外稳定性。更重要的是，涂层强负摩擦电特性使其可作为液滴发电机在雨天收集雨滴能量，实现了“晴天辐射冷却+雨天能量收集”的天气自适应能量循环。

相关工作以“A durable, breathable, and weather-adaptive coating driven by particle self-assembly for radiative cooling and energy harvesting”为题发表在《Nano Energy》（JCR一区，中科院一区TOP，IF=17.1）上。

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研究内容

本研究聚焦于解决辐射冷却材料在多变天气条件下的性能不稳定与功能单一问题。研究团队利用二元溶剂与PTFE颗粒之间相互作用力的差异构建多孔结构：分子动力学模拟表明，DMF与PTFE的Lennard-Jones短程相互作用能约为-3000 kJ/mol，远强于HFIP与PTFE的相互作用，因此部分DMF被PTFE颗粒限域形成液滴，而HFIP均匀分散。溶剂蒸发后，形成跨尺度多孔结构（PTFE颗粒尺寸集中于300-400 nm，孔径分布宽）。FDTD模拟证实，PTFE颗粒高效散射紫外光，而微米级孔隙散射全波段太阳光，两者协同实现全光谱高效反射。

在光学性能方面，优化后的多孔PTFE涂层（厚度~200 μm）太阳反射率达94%，大气窗口热发射率达93%，显著优于PTFE颗粒涂层（89%和77%），也优于膨胀PTFE（平均反射率77%）和透明PTFE（15%）。户外实测表明，在~1000 W/m²太阳辐照度下，涂层实现约5°C亚环境降温，比商业膨胀PTFE低约7°C；阴天条件下（~689 W/m²）仍保持约5.1°C降温。帐篷模型实验中，覆盖该涂层后温度降至35.5°C，而空帐篷和覆盖膨胀PTFE的帐篷分别为44°C和39.2°C。

在环境耐受性方面，涂层水接触角达142°，对牛奶、茶、咖啡等常见液体保持球形，具有自清洁性能；透气性优异（水下连续冒泡，可承受>200 mm水柱）；经5000次ASTM耐磨循环后，质量仅减少0.1%，厚度减少1.48%，反射率几乎不变。抗紫外性能尤为突出：UPF达179.15（接近商业膨胀PTFE的184.39，远高于商业白漆的66.96）；经96小时紫外老化后白度保持90.9（白漆从81.6降至75.1）；户外放置40天后反射率仅下降2.4%（仍>90%），而白漆从75.6%降至66.1%并大面积脱落。

在雨天能量收集方面，将多孔PTFE涂层与银负载导电无纺布层压制备液滴发电机。DEG输出随液滴体积、高度和频率变化：50 μL液滴、25 cm高度、2 Hz频率下，开路电压达51.2 V，短路电流58.7 μA，转移电荷17.6 nC，峰值功率密度达153.8 mW/m²（负载电阻10⁶ Ω）。该DEG存放一年后输出性能保持稳定，且输出随液滴pH值升高而增加，可用于监测雨水酸度。集成无线传输系统后，可在便携平板电脑上实时显示液滴滴落信号，并可为电容器充电和点亮LED。

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研究数据

图1. 多孔PTFE涂层的设计与制备。(a) 辐射冷却材料在太阳波段的理想反射曲线；(b) FDTD模拟的398 nm PTFE颗粒和7.8 μm微孔在太阳光范围内的散射效率；(c) 涂层制备流程；(d) 实物照片；(e) 表面和截面SEM图像；(f) 二元溶剂与PTFE颗粒之间的相互作用能。

图2. 多孔PTFE涂层的光谱响应。(a) 多孔PTFE涂层与PTFE颗粒涂层的全波长反射率和发射率；(b) 多孔PTFE涂层、膨胀PTFE和透明PTFE的太阳反射率对比；(c) 三种多孔PTFE涂层的太阳反射率；(d) 热发射率；(e-g) 对应涂层的SEM图像。

图3. 辐射冷却性能。(a) 冷却性能测试装置示意图；(b-c) 测试地点照片及气象信息；(d-e) 晴朗天气下环境、膨胀PTFE和多孔PTFE涂层的实时温度、太阳辐照度、风速和相对湿度；(f-g) 阴天天气下的相应数据；(h) 空帐篷、覆盖膨胀PTFE和多孔PTFE涂层帐篷的红外图像及对应温度。

图4. 防水性、耐磨性和抗紫外老化性能。(a) 染色液滴在涂层表面的球形照片（插图为水接触角142°）；(b) 防水性与透气性展示（水下连续冒泡）；(c) 5000次耐磨循环后质量、厚度减少百分比及光学性能变化；(d) 膨胀PTFE、多孔PTFE涂层和商业白漆的UPF值对比；(e) 不同紫外辐射时间下的白度和黄度指数；(f) 户外暴露40天前后反射率变化；(g) 户外40天的实物照片对比（白漆变暗、开裂、脱落，PTFE涂层保持完好）。

图5. 液滴发电机的输出性能。(a) DEG结构示意图；(b) 开关接通和断开状态下的等效电路模型；(c-e) 不同液滴体积下的开路电压、短路电流和转移电荷；(f-h) 不同下落高度下的输出性能；(i-k) 不同频率下的输出性能。

图6. DEG的应用。(a) 长期耐久性（初始与存放一年后对比）；(b) 对不同pH液滴的输出响应（随pH升高输出增加）；(c) 不同外接负载下的平均电流和功率密度（峰值153.8 mW/m² at 10⁶ Ω）；(d) 充电曲线；(e) 单液滴点亮LED；(f-h) 液滴监测系统示意图、APP信号显示及间歇高频滴落信号。

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研究结论

本研究利用DMF和HFIP二元溶剂与PTFE纳米颗粒之间的差异相互作用驱动颗粒自组装，成功开发了一种耐用、透气且天气自适应的多孔PTFE涂层。分子动力学模拟揭示，DMF与PTFE的Lennard-Jones短程相互作用能（约-3000 kJ/mol）远强于HFIP与PTFE的相互作用，导致DMF被PTFE颗粒限域形成液滴而HFIP均匀分散，溶剂蒸发后形成跨尺度多孔结构（PTFE颗粒300-400 nm，孔径分布宽）。FDTD模拟与实验共同证实，PTFE颗粒高效散射紫外光而微米级孔隙通过Mie共振散射可见光-近红外光，两者协同使涂层太阳反射率达94%、热发射率达93%（PTFE颗粒涂层仅89%和77%）。户外实测表明，在~1000 W/m²太阳辐照度下涂层实现约5°C亚环境降温，比商业膨胀PTFE低约7°C；阴天条件下（~689 W/m²）仍保持约5.1°C降温，帐篷模型实验进一步验证了其冷却效果（覆盖涂层后35.5°C vs 空帐篷44°C）。涂层展现出卓越的机械与环境耐受性：水接触角142°，对牛奶、茶、咖啡等多种液体保持球形；经5000次ASTM耐磨循环后质量仅减少0.1%、厚度减少1.48%、反射率几乎不变；UPF高达179.15（商业白漆仅66.96），96小时紫外老化后白度保持90.9（白漆从81.6降至75.1），40天户外暴露后反射率仅下降2.4%（仍>90%）而白漆从75.6%降至66.1%并大面积脱落。同时，利用涂层的强负摩擦电特性，集成的液滴发电机在50 μL液滴、25 cm高度、2 Hz频率下输出开路电压51.2 V、短路电流58.7 μA、转移电荷17.6 nC，峰值功率密度达153.8 mW/m²，存放一年后性能稳定，且输出随液滴pH值升高而增加（可用于监测雨水酸度），通过集成无线传输系统可在便携平板电脑上实时显示液滴信号并为电容器和LED供电。该涂层实现了“晴天高效辐射冷却+雨天液滴能量收集”的天气自适应能量循环，为辐射冷却材料在多变气候条件下的实际应用开辟了新途径。

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DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109489

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