EcoEnergy｜协调“色彩与热量”矛盾！香港城大曹之胤团队联合Andrey L. Rogach团队受珊瑚启发开发低成本、生物友好型彩色辐射制冷新策略

导读

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被动辐射冷却（PRC）作为一种“零能耗”建筑物降温技术，通过向外太空辐射热量来实现高效制冷，是实现建筑领域节能减碳的理想途径。然而，传统PRC材料为了追求极高的太阳光反射率，通常只能呈现单调的白色或银色。在现代城市的大厦外墙与建筑表面，彩色辐射制冷具有极其关键的实际意义：它不仅能避免传统白色辐射制冷因强光反射造成的眩光污染与视觉不适，还能兼顾城市建筑的美学需求与交通安全。

但要实现彩色辐射制冷并非易事，传统染料会因吸热率高而严重削弱冷却效果；而采用精密微纳结构色或掺杂金属氧化物、钙钛矿等无机荧光材料的方案，又面临制备工艺复杂难以量产，以及材料分解后潜在的环境毒性隐患。因此，如何在生态友好型材料与简易制备工艺的基础上实现高效彩色辐射制冷，是该领域面临的关键挑战。

近日，香港城市大学曹之胤讲座教授团队联合Andrey L. Rogach讲座教授团队和北京科技大学柳文洁教授团队，受自然界珊瑚光致保护机制的启发，在 EcoEnergy发表研究成果《Fluorescent Colored Passive Radiative Cooling Based on Carbon Dots for Cooling Power Recovery》，成功开发出基于碳点（Carbon Dots）的彩色辐射制冷器（CD-CPRC），在丰富建筑色彩的同时利用荧光机制实现了冷却功率回收（cooling power recovery），兼具优秀降温性能、环境友好与大规模量产潜能。得益于碳点与聚乙烯醇基质（PVA）低成本、高生物相容性的独特优势，该方案不仅突破了规模化量产的技术壁垒，更消除了材料废弃后的环境污染风险，为彩色辐射制冷技术在绿色智慧城市中的大规模推广奠定了坚实基础。

本文要点

图 1 CD-CPRC的双层结构设计与制备。(a)受珊瑚启发的CD-CPRC工作原理与日光/热辐射相互作用示意图；(b)CD-CPRC样品的实物外观与扫描电镜（SEM）截面微观结构图；(c)碳点合成及CD-CPRC双层涂层的旋涂与浸涂制备流程图。

受自然界珊瑚通过体内荧光蛋白光实现适应性日光辐射调节的启发，团队设计了一种基于碳点（CDs）与聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的双层彩色辐射冷却系统（CD-CPRC）（图 1a）。该系统底层采用高反射制冷陶瓷作为基底，负责提供极高的太阳光宽带反射率；顶层则为包覆有荧光碳点的PVA聚合物涂层，兼具显色与光致发光（PL）功能。从微观结构与外观形态来看，涂层致密且与衬底结合紧密（图 1b）。在制备工艺上，研究摒弃了复杂的微纳加工手段，仅需将水热法（hydrothermal approach）合成的碳点与PVA混合，通过简便的旋涂与浸涂法在陶瓷表面形成显色涂层（图 1c），实现了低成本、易于规模化推广的生态友好型制造。

图 2 蓝/橙发光碳点（CD-Blue/CD-Orange）的光学与形貌表征。(a, b)CD-Blue与CD-Orange在水溶液中的吸收、激发与发射光谱（插图为日光及紫外/蓝光激发下的实物照片）；(c)碳点的FTIR红外光谱图；(d-g)蓝光与橙光碳点的TEM形貌及粒径分布直方图。

为了实现多样的色彩调控，合成了两种不同发光特性的碳点：吸收紫外光（~350 nm）并发射蓝色荧光（~445 nm）的蓝光碳点（CD-Blue）（图 2a），以及吸收可见光（525/565 nm）并发射橙光（~615 nm）的橙光碳点（CD-Orange）（图 2b）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，碳点表面富含羟基、氨基和羧基等亲水性官能团（图 2c），这确保了它们能够与PVA基质形成强烈的氢键网络，赋予复合涂层极佳的分散性、相容性与光学稳定性。电子显微镜（TEM）测试结果显示，两种碳点均具有均匀的纳米级尺寸，蓝光与橙光碳点的中位尺寸分别为9.9 nm和8.7 nm（图 2d-g）。

图 3 CD-CPRC的光学性能与有效太阳反射率重构。 (a)CD-CPRC样品在日光与激发光下的实物照片；(b)PLQY随碳点浓度的变化曲线；(c, d)CD-CPRC激发-发射三维映射图（PLE-PL Mapping）；(e, f)蓝光与橙光CD-CPRC的伪反射率与校正后的有效太阳反射率光谱对比图。

在呈现出鲜艳色彩的同时（图 3a），通过精准调控固态复合膜中碳点的掺杂浓度，有效克服了高浓度下的聚集诱导淬灭（ACQ）现象，使蓝光与橙光CD-CPRC的荧光量子产率（PLQY）分别达到了68%和17%（图 3b）。薄膜的三维映射图展现出了优异的激发-发射荧光特性（图 3c, d）。针对传统光谱仪无法区分反射光与荧光发射光而导致的测量误差，团队沿用了此前研究中（Nat. Sustain. Fu et al. 2025）建立的光致发光校正机制与有效太阳反射率（Reff）概念，使材料吸收太阳能后通过荧光重新辐射出去的能量作为冷却功率回收的体现。校正结果表明，蓝光与橙光CD-CPRC的有效太阳反射率分别达到了 89.6% 和 68.6% （图 3e, f），且在大气透明窗口（8–13 µm）内的中红外发射率均维持在96%以上。

图 4 CD-CPRC的制冷性能与全球建筑节能评估。(a)室内与户外测试装置示意图；(b)CIE 1931色度图及样品颜色匹配分析；(c)太阳模拟器下的实物与红外热成像图；(d)香港与阿布扎比两地的户外连续实测温度与太阳辐射强度；(e)净冷却功率理论计算图；(f)全球19个代表性城市的年度建筑冷却节能量评估图。

为了验证材料的实际降温效果，搭建了室内与户外测试装置（图 4a），并用普通商用颜料替代碳点，采用完全相同的制备工艺，制作了与CD-CPRC在CIE色度坐标上匹配的对照组样品进行对比（图 4b）。室内测试结果显示，在1个标准太阳光强照射下，蓝光与橙光CD-CPRC比传统颜料对照组的表面温度分别降低了0.4 °C和1.2 °C（图 4c）；在香港的户外实测中，橙光CD-CPRC比传统颜料对照组最高降温达4.2 °C（图 4d）；而在阿布扎比的干燥气候下，蓝光CD-CPRC成功实现了低于环境温度 1.5 °C 的冷却效果（图 4d）。同时，理论模型准确计算并评估了材料在不同辐射条件下的净冷却功率（图 4e）。此外，利用EnergyPlus对全球19个典型气候城市进行的建筑能耗模拟进一步表明，将CD-CPRC涂层应用于建筑外墙或屋顶，每年可为单座建筑节省0.39至4.22 GJ的制冷能耗（图 4f），展现出优异的实际节能效益。

图 5 CD-PVA涂层的多场景应用与综合性能表征。(a)CD-PVA涂层在独立薄膜、金属、塑料及纺织品上的应用展示；(b)疏水改性前后的水接触角图；(c, d)ISO 2409百格刮擦与百次胶带剥离附着力测试图；(e)碳点与传统钙钛矿、量子点及荧光粉的细胞毒性对比图；(f)雷达图综合对比CD-CPRC与其他荧光冷却材料的各项性能。

进一步的，针对从实验室走向实际工程落地的可能性，对其多场景适用性、耐久性与安全性进行了全面考察。在实际应用可行性方面，CD-PVA涂层展现出极强的基底兼容性，可完美覆盖于陶瓷、金属、塑料、纺织品等多种材质表面（图 5a）；且经疏水改性后水接触角达107°，具备良好的自清洁能力（图 5b）。通过ISO 2409标准的百格刮擦与百次胶带剥离测试，涂层未出现脱落，表现出优异的机械附着力（图 5c，d）。更重要的是，安全性评估实验表明，在1 mg/mL的浓度培养条件下，CDs对人胚肾细胞（HEK293T）和小鼠神经元细胞（HT22）的细胞存活率保持在 70%–80% 以上，表现出良好的生物相容性；而相比之下，传统钙钛矿（CsPbBr3）与无机量子点（CdZnSeS/ZnS）材料在该浓度下的细胞存活率均骤降至20%以下，具有明显的毒性风险（图 5e）。综合性能雷达图表明，CD-CPRC凭借强冷却性能、无毒环保（图 5f），为彩色辐射冷却技术在现代绿色智慧城市中的大规模落地应用奠定了坚实基础。

总结

本项研究通过将低成本、生物友好的荧光碳点与高反射制冷陶瓷巧妙结合，协调了彩色辐射冷却技术中“光学显色”与“热量积聚”的固有矛盾。这不仅为碳点材料在宏观热管理领域的应用打开了全新的大门，更为未来绿色零碳智慧城市的彩色降温皮肤设计提供了可大规模量产的新范式。

文献信息

Lin Liang, Chui Ting Kwok, Maksim Miropoltsev, Kaixin Lin*, Elena V. Ushakova, Yang Fu, Wenqi Wang, Hao Li, Dong Lv, Yihao Zhu, Wenjie Liu, Andrey L. Rogach*, Chi Yan Tso*. Fluorescent Colored Passive Radiative Cooling Based on Carbon Dots for Cooling Power Recovery. EcoEnergy, 2026, e70151. DOI: 10.1002/ece2.70151.