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南方科技大學孫大陟團隊、香港理工大學王鉆開團隊 ACS Nano：增強型輻射制冷材料實現溫度自適應熱管理

2023-02-10 來源：高分子科技

被動輻射制冷（passive radiative cooling）作為一種無需能量輸入的新興制冷技術，在應對能源危機與降低能耗領域具有巨大的潛力。近年來，有關被動輻射制冷的研究已經得到了廣泛的報道。應用于日間的輻射制冷材料不僅需要盡可能多地反射太陽光以減少能量的獲取，還需要向低溫的宇宙輻射更多的熱量。因此，高性能的日間輻射制冷材料需要在太陽光譜范圍（0.3-2.5 μm）內具有高反射率，在中紅外波長范圍內，尤其是在大氣窗口 (8-13 μm)，具有高發射率。但是，近些年對日間輻射制冷的研究主要著重于提高其在不同環境下的制冷性能，以至于忽略了不斷提高的制冷性能會在夜間造成過冷現象。因此，在實現有效日間制冷的同時避免夜間過冷對于輻射制冷材料的應用具有重要意義。

近日，南方科技大學孫大陟副教授團隊和香港理工大學王鉆開教授團隊合作報道了一種增強型輻射制冷材料，該材料通過集成被動輻射制冷和室溫相變材料的溫度控制能力，實現了有效的溫度自適應熱管理。與傳統的輻射制冷材料相比，該增強型輻射制冷材料（PCMRC）可以根據晝夜溫度自主地調節其性能。在溫度較高的白天，PCMRC展現出相變材料制冷和輻射制冷的雙重制冷效果，從而獲得更大的低于環境溫度的溫降。而在溫度較低的夜晚，PCMRC則表現出相變材料制熱和輻射制冷的綜合作用，從而在整體上取得一個削弱的降溫效果，有時甚至可以獲得高于環境溫度的溫升，這有效地避免了輻射制冷材料在應用過程中過冷現象的出現。實際戶外測試中，PCMRC在陽光直射條件下溫度平均下降了6.3 °C，這比傳統輻射制冷材料對比樣的溫度要低2.2 °C。在夜間，PCMRC的平均溫度比環境溫度高2.1 °C，而傳統輻射制冷材料對比樣的溫度仍然低于環境溫度。此外，戶外測試結果也表明，PCMRC可以取得更小的晝夜溫差，有希望減弱了晝夜溫差過大帶來的不適。該研究為被動輻射制冷的性能調節，以及擴展被動輻射制冷的應用提供了一種新的思路。

圖1. PCMRC的設計和工作原理。（A）2022年10月在深圳進行的連續的24小時實時溫度測量。溫度曲線表明，夜間環境溫度較低，而白天環境溫度相對較高。（B）PCMRC的工作原理。（C）PCMRC的實物圖及其雙層結構。

圖2. 輻射制冷材料的光譜表征。（A）RC和PCMRC在太陽光譜范圍內的光譜反射率。（B）RC和PCMRC在中紅外波長范圍內的光譜發射率。

圖3. 輻射制冷材料在戶外的制冷性能。（A）2022年4月4日至5日在深圳進行室外測量期間的環境、RC 和 PCMRC 的溫度。（B）環境與 RC/PCMRC 在日間的溫差。（C）環境與 RC/PCMRC 在夜晚的溫差。

圖4. 凈制冷功率的計算。RC在白天（A）和夜間（B）環境溫度為298K時，在不同非輻射傳熱系數（h_{non-radiative}）條件下的凈制冷功率。PCMRC在白天（C）和夜間（D）環境溫度為298K時，在不同非輻射傳熱系條件下的凈制冷功率。

圖5. 輻射制冷材料的熱性能。在加熱板上，STRC和PCMRC的表面溫度（A）和紅外圖像（B）。在制冷板上，STRC和PCMRC的表面溫度（C）和紅外圖像（D）。

該成果以“Phase Change Material Enhanced Radiative Cooler for Temperature-Adaptive Thermal Regulation“為題發表在《ACS Nano》上。南方科技大學孫大陟副教授和香港理工大學王鉆開教授為該論文共同通訊作者，南方科技大學與香港城市大學聯合培養博士生楊猛為該論文第一作者。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c11916

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（責任編輯：xu）

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