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  隨著全球氣溫持續(xù)上升，如何實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保的溫控，特別是高溫環(huán)境下的降溫管理，已成為節(jié)能減排的重要方向。傳統(tǒng)的空調(diào)和冷卻系統(tǒng)不僅能耗巨大，還會產(chǎn)生大量碳排放，利用輻射制冷技術(shù)能真正實(shí)現(xiàn)“零能耗”冷卻。近年來，各類聚合物基輻射制冷材料不斷涌現(xiàn)，但在制備過程中常面臨兩個(gè)重要問題：（1）制備多孔散射結(jié)構(gòu)需使用大量有毒溶劑；（2）納米填料在聚合物基體中，尤其是高粘度聚合物熔體中，容易聚集而難以均勻分散，制約了聚合物基輻射制冷材料拓展應(yīng)用。

  近日，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王建峰副教授/王萬杰教授團(tuán)隊(duì)提出了一種環(huán)保、低成本的加工方法—利用普適的熔融加工工藝，在無溶劑條件下實(shí)現(xiàn)多孔聚合物納米復(fù)合材料的原位制備。研究人員選用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作為基體，加入廉價(jià)且環(huán)保的碳酸氫鈉（NaHCO?）粉末，在高溫條件下，NaHCO?發(fā)生熱分解，釋放出二氧化碳形成微孔（平均尺寸約2.72? μm），同時(shí)轉(zhuǎn)化為碳酸鈉（Na?CO?）納米顆粒均勻分散于聚合物基體內(nèi)（平均尺寸約228 ?nm），從而構(gòu)筑出微孔與納米顆粒相結(jié)合的分級結(jié)構(gòu)。該策略不僅避免了溶劑使用帶來的環(huán)境污染，還可調(diào)控材料內(nèi)部孔隙率和納米顆粒的分布情況，賦予復(fù)合材料高太陽反射率（94.2%）和高中紅外發(fā)射率（94.5%），實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的被動輻射制冷性能。戶外測試表明，復(fù)合材料（FPCS）在高溫環(huán)境下可使溫度下降約6.8°C，在極端高溫（>52°C）條件下仍保持2.0°C的降溫效果，展示了其在高溫條件下的應(yīng)用潛力。此外，FPCS在零度以下的環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)高效的亞環(huán)境降溫，在建筑節(jié)能、冷卻水、防止冰川融化等場景中展現(xiàn)較好的冷卻效果。通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了FPCS在全球范圍內(nèi)的節(jié)能潛力，其可顯著降低冷卻能耗。本研究通過熔融加工一步法原位構(gòu)筑微孔與納米顆粒相結(jié)合的分級結(jié)構(gòu)，制得高反射、高發(fā)射的多孔聚合物輻射制冷納米復(fù)合材料，制備過程環(huán)境友好、成本低且易規(guī)模制造，為制備輻射制冷高分子復(fù)合材料提供了新方法。該研究以“Melt-processed, one-step, in-situ hierarchically structured porous polymer nanocomposite for radiative cooling in hot weather”為題發(fā)表在《Small》上（doi/10.1002/smll.202500020）。

圖1. (a) FPCS的制備過程示意圖及其基于熔融加工原位形成微孔/納米顆粒分級結(jié)構(gòu)的基本機(jī)制。(b)熔融加工制備的FPCS。(c, d) FPCS的SEM圖。(e) FPCS的能量色散譜（EDS）元素分布圖。(f) 不同孔徑微孔的散射效率對比。(g) FPCS內(nèi)原位形成微孔的散射效率。(h) FPCS內(nèi)原位形成Na?CO?納米顆粒的散射效率。(i) 在不同入射角下的太陽反射率變化。(j) FPCS在0.3至20 μm波段的實(shí)測太陽反射率及中紅外發(fā)射率光譜。

圖2. (a)戶外輻射冷卻實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 戶外輻射冷卻實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。(c)連續(xù)24小時(shí)太陽輻照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線。(d)連續(xù)24小時(shí)相對濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線。(e) FPCS溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線。(f) 白天正午時(shí)FPCS理論冷卻功率。(g) 夜間FPCS理論冷卻功率。(h) 不同聚合物輻射制冷材料的溶劑使用情況、光譜特性及冷卻功率性能對比。

圖3. (a)戶外蓄冰實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) FPCS腔室、金屬腔室及環(huán)境溫度在連續(xù)4小時(shí)內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度曲線。(c) FPCS腔室與金屬腔室內(nèi)冰質(zhì)量損失曲線。(d) 連續(xù)4天實(shí)驗(yàn)后FPCS覆蓋的冰雪與裸露冰的狀態(tài)變化對比實(shí)物圖。(e) 戶外水冷實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測。(f) 正午時(shí)段連續(xù)4小時(shí)內(nèi)冷卻水溫度及太陽輻照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線。(g) FPCS在水冷過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的冷卻功率變化。

圖4. (a) FPCS在炎熱天氣條件下進(jìn)行連續(xù)72小時(shí)戶外冷卻實(shí)驗(yàn)。(b) FPCS與環(huán)境溫度的溫差對比。(c) 白天FPCS的實(shí)時(shí)輻射冷卻功率。(d) 夜間 FPCS的實(shí)時(shí)輻射冷卻功率。(e) 在全球范圍內(nèi)覆蓋FPCS的建筑節(jié)能能力模擬結(jié)果。(f) FPCS在10個(gè)代表性國家和地區(qū)的冷卻節(jié)能效果及節(jié)能效率對比。(g) 全球不同地區(qū)建筑外表面覆蓋FPCS后的二氧化碳排放減少潛力。(h) 10個(gè)代表性國家和地區(qū)電力節(jié)能效率分析。

  此外，為解決傳統(tǒng)紡織品熱調(diào)節(jié)能力有限，難以在高溫高濕氣候條件下實(shí)現(xiàn)熱舒適的問題，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了在高濕度、高溫和透氣條件下表現(xiàn)出卓越冷卻性能的具有分層核殼微/納米結(jié)構(gòu)的相變氟化聚氨酯-氮化硅透氣纖維紡織品（PFSM），用于炎熱和潮濕條件下個(gè)人冷卻降溫和熱舒適管理。PFSM由聚乙二醇核和通過同軸靜電紡絲制備的聚氨酯/Si₃N₄殼組成。PFSM紡織品具有高太陽反射率（91%）、高紅外發(fā)射率（92%）、高導(dǎo)熱率（4.504 W m^-1 K^-1）和增強(qiáng)熱函（43.3 J/g），集輻射冷卻、相變和熱傳導(dǎo)于一體。與傳統(tǒng)棉織物相比，在環(huán)境溫度28.2℃、濕度超過50%的日間濕熱條件下，PFSM紡織品可使人體皮膚溫度下降10.7℃。此外，PFSM紡織品具有透氣性、良好的生物相容性、優(yōu)異的熱誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，有助于其在各種場景中個(gè)人熱管理應(yīng)用，為高溫高濕環(huán)境下實(shí)現(xiàn)皮膚透氣降溫?zé)崾孢m提供了可行策略。相關(guān)成果以“Hierarchically core-shell nanofiber textiles for personal cooling in hot and humid conditions”為題發(fā)表在《Nano Energy》上（doi/10.1016/j.nanoen.2024.109400）。

圖1. (a) 集太陽光反射、選擇性熱輻射發(fā)射、熱傳導(dǎo)和PCM儲熱于一體的熱調(diào)節(jié)功能PFSM紡織品示意圖。(b) PFSM制備過程示意圖。

圖2. PFSM的形態(tài)和光學(xué)特性。(a) 同軸靜電紡絲制造的PFSM實(shí)物照片。(b) PFSM膜的SEM圖。(c) 膜纖維直徑統(tǒng)計(jì)分布。(d) PFSM 的能量色散光譜映射圖。(e) 90℃水洗48小時(shí)處理的核殼結(jié)構(gòu)相變復(fù)合纖維的SEM圖。（f）PFSM纖維的TEM圖。(g) PFSM的復(fù)光譜折射率 (n+ iκ)。(h, i) PFSM的模擬太陽散射效率。(j) PFSM的FTIR光譜。(k) PFSM的HBIR發(fā)射率。(l) PFSM太陽光反射率。

圖3. PFSM的熱性能。PFSM的DSC加熱(a)和冷卻(b)曲線、熔化和凝固焓(c)以及溫度(d)。(e) 第50次熔融-凝固循環(huán)后的DSC 曲線。(f) PFSM的導(dǎo)熱率。(g) PFSM和PEG@FPU膜從臨時(shí)彎曲形狀恢復(fù)到原始直形的實(shí)物照片。(h) PFSM 和PEG@FPU的形狀恢復(fù)率隨著恢復(fù)時(shí)間的增加而變化。

圖4.（a）不同材料對志愿者前臂的皮膚刺激結(jié)果示意圖：（1）棉、（2）滲透性PTFE薄膜、（3）非滲透性PTFE薄膜、（4）非滲透性FPU薄膜、（5）透氣FPU薄膜和（6）PFSM薄膜。(b) PFSM透氣性演示。PFSM的空氣滲透率(c)和水分滲透率(d)。(e) PFSM在卷曲、折疊和打結(jié)條件下（上）以及形狀恢復(fù)前后（下）的實(shí)物照片。(f) FPU、PEG@FPU和PFSM的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g, h) FPU、PEG@FPU和PFSM的DMA曲線：(g) 儲能模量(E'')、(h) tan δ與溫度的關(guān)系。

圖5. PFSM的冷卻性能。(a) 用于測試室外冷卻性能的裝置的示意圖和實(shí)物圖。(b, d, f) 棉花、模擬裸露皮膚、FPU/ Si₃N₄、PFSM和環(huán)境空氣以及太陽輻照度的溫度數(shù)據(jù)。(c, e, g) PFSM與模擬裸露皮膚、棉花、FPU/Si₃N₄在不同濕度水平下的溫度差異。(h) 在棉花和PFSM 紡織品上方和下方使用熱電偶的室內(nèi)冷卻性能。(i) 裸露皮膚、棉花和 PFSM 的平衡穩(wěn)定溫度。穿著棉布（左）和 PFSM（右）的人在室外環(huán)境中的(j)光學(xué)照片和(k)紅外圖像。

圖6. PFSM在便攜式電子設(shè)備中的實(shí)際冷卻應(yīng)用。(a)裸電子設(shè)備和(b) PFSM覆蓋電子設(shè)備的工作原理示意圖。(c) 冷卻電子設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(d) 實(shí)時(shí)監(jiān)測覆蓋有PFSM裸機(jī)備用便攜式充電器的溫度曲線和太陽輻照度。(f)實(shí)時(shí)監(jiān)測PFSM的溫度曲線和太陽輻照度，覆蓋裸露的便攜式充電器連接到電子設(shè)備進(jìn)行充電。(e, g) 在不同濕度條件下 PFSM與充電器的溫差。(h)手機(jī)屏幕覆蓋PFSM的照片。(i) 陽光直射下快速充電不同時(shí)間，覆蓋PFSM的手機(jī)屏幕熱像圖。

  近年來，鄭州大學(xué)王建峰副教授/王萬杰教授團(tuán)隊(duì)面向國民經(jīng)濟(jì)與國防安全重大需求，圍繞熱在輻射過程中的科學(xué)問題，聚焦熱輻射操控高分子功能復(fù)合材料開展系列研究，通過多尺度形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微納加工復(fù)合成型，調(diào)節(jié)高分子材料在紫外-可見-近紅外-中紅外波段（0.3-20 μm）的光譜發(fā)射/吸收/反射特性，構(gòu)筑了具有可見光透明/不透明低紅外發(fā)射、低紅外發(fā)射/高太陽吸收、高紅外發(fā)射/高太陽反射、高紅外發(fā)射/高太陽吸收等光譜特性的系列熱輻射操控高分子功能復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)高效輻射熱管理，探索了其在熱輻射偽裝與紅外隱身（Adv. Funct. Mater. 2025, 202421347；J. Mater. Chem. A, 2025, 13, 8654；Mater. Horiz., 2023, 10, 235；Nano Res. 2023, 16, 3326；Nano Energy 2022, 97, 107177；ACS Nano 2021, 15, 11396；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101381,etc）、輻射加熱與制冷（Adv. Sci. 2024, 11, 202308200；ACS Nano 2023, 17, 2029；Small 2025, 2500020；Nano Energy 2024, 123, 109400；J. Mater. Sci. Technol. 2023, 133, 32; Compos. Part A. 2023, 164, 107311; Compos. Part A. 2022, 156, 106883, etc）等方面的應(yīng)用。以上研究得到國家自然科學(xué)基金、中原科技創(chuàng)新青年拔尖人才、河南省優(yōu)秀青年基金、中國博士后特別資助、河南省聯(lián)合基金優(yōu)勢學(xué)科培育項(xiàng)目、河南省科技攻關(guān)與重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、鄭州大學(xué)優(yōu)秀青年人才創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。

  原文鏈接：

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202500020

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109400