輻射制冷材料
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
輻射制冷材料的實例教程
從發展歷程看，夜間輻射制冷自 20 世紀中葉起已有較多研究。但這些夜間輻射制冷材料難以同時滿足在“大氣窗口”波段具有高發射率，且對太陽輻射具有高反射率，因此限制了其在白天的應用。隨著研究的深入，目前已設計出新材料或結構可用于全天輻射制冷。本節對夜間和日間輻射制冷材料進行了回顧，并對動態輻射制冷材料的最新研究進展進行了總結。
2.1 夜間輻射制冷材料
夜間輻射制冷指在夜間達到低于環境溫度的冷卻，寬譜和選擇性輻射材料均可實現這一功能。夜間輻射制冷材料一般可分為: 1) 聚合物: PMMA、PVC、PPO 樹脂和其他復合高分子材料;2)無機薄膜:一氧化硅、二氧化硅、氮氧化硅和各類涂料(如 TiO2、BaSO4 等);3) 氣體:氨、環氧乙烷、乙烯或這些氣體的混合物。基于聚合物的夜間輻射制冷材料可由少量聚合物涂層以及下方的金屬層組成。聚合物涂層由紅外透射聚合物與納米粒子混合制備，通過改變納米粒子的濃度，可在整個“大氣窗口”內調整吸收光譜。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的無機薄膜可在中紅外波段實現高發射率。氣體通過分子拉伸和旋轉使分子在“大氣窗口”波段內具有強烈的紅外吸收，使用氣體作為工質的輻射制冷裝置具有無需額外傳熱流體的優勢。
2.2 日間輻射制冷材料
由于太陽輻射能量密度約為輻射制冷能量密度的 10 倍，這給輻射制冷的日間應用帶來了挑戰。近年來，得益于微納技術研究的進展，使新型輻射制冷材料如光學薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等既具有高太陽光譜反射率，又在“大氣窗口”波段具有高發射率的材料，得以實現日間輻射制冷。
以光子材料和超材料為代表的納米光學材料為日間輻射制冷的光學性質設計提供了新思路。
展開 電力裝備散熱，建筑制冷以及電子器件的熱管理消耗了大量的能源，這進一步加劇了溫室氣體的排放，影響了人類社會的可持續發展。因此，世界各國的研究者們都在尋找新型、低能耗的冷卻技術。
輻射制冷是一種被動制冷方式。其主要是利用地球與外太空（~3 K）之間的大氣透明窗口（波長8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發射到外太空這一巨大的冷源之中。這也是維持地球熱平衡的一種機制。夜間的輻射制冷現象已經被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產生，以及古人在沙漠氣候環境制冰。然而，輻射制冷現象在白天很少出現，這是因為陽光熱量的輸入要遠遠超過輻射制冷量，結果是加熱暴露在陽光下的物體。近年來，隨著光子學的發展，研究者們通過構建光子晶體結構、聚合物–電介質顆粒雜化超材料、層次多孔結構等光子結構，使材料反射了幾乎所有太陽光，且在大氣窗口波段有著很強的紅外發射率，從而使日間輻射制冷技術得以實現。日間輻射制冷技術為我們提供了一個清潔的、無能耗的冷源，可用于建筑冷卻、食品保存、冷鏈運輸等。
問題來了，可以將日間輻射制冷技術應用于戶外電力裝備、電子設備的熱管理嗎？與制冷這一應用場景不同，戶外電力裝備、電子設備不僅要面臨陽光熱量的輸入，其自身還會產生大量的熱量。為了使戶外電子電力設備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內部熱量快速傳導、耗散。這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射制冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。
展開 該文設計并制備了一種可以同時利用兩個大氣窗口（8–13 μm和16–25 μm）來降溫的雙選擇型（Dual-selective）熱發射體作為高性能輻射制冷材料，并證明其在干旱炎熱氣候下具有明顯優于現有典型輻射制冷發射體的亞環境制冷性能（指降溫到環境溫度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了輻射制冷技術的降溫潛能，為其大規模實際應用提供了可能。此外，當在雙選擇型熱發射體樣品表明覆蓋不同顏色的彩色PE膜后，樣品仍體現出很高的亞環境制冷性能（如紅色和黃色），且明顯優于彩色化后的商業涂料。表明雙選擇型材料還具有很高的彩色兼容性，有助于促進輻射制冷材料的大規模實際應用。本工作從理論上提出并從實驗上實現了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設計，也為將來設計更多高效熱管理材料提供了新的思路。研究成果以“A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance”為題發表在《Nature Communications》。
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圖文導讀
圖1. 雙選擇輻射制冷模型的建立和理論計算。
圖2.雙選擇型輻射制冷熱發射體的分子-結構設計與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發射體在沙漠環境下的制冷性能測試。
圖4. 雙選擇型熱發射體制冷功率測試，以及與常見商品屋頂材料的制冷性能比較。
圖5. 雙選擇型熱發射體的彩色化和彩色兼容性研究。
★ 平臺聲明
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展開 天空輻射制冷作為無額外能耗、無需制冷劑的利用外太空極冷環境的制冷技術，對于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應以實現“雙碳”目標具有重要的研究意義與應用價值。
天空輻射制冷現象普遍存在于自然界中，是沙漠夜間低溫的重要原因，但直到 20世紀50 年代人們才開始深入研究輻射制冷并對其應用潛力開展較為系統的研究。尤其是近 10年來，隨著納米光學和超材料技術的發展，可以在白天實現低于環境溫度的輻射制冷材料被制備出來。輻射制冷材料的深入研究也為大規模應用輻射制冷技術提供了可能。在碳中和大背景的推動下，輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。由于我國建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應用于建筑物圍護結構外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負荷，從而減少空調系統能耗。
在此基礎上，本研究綜合考慮到我國不同地區的氣候特點和環境特點差異，以既有建筑作為輻射制冷實際應用的載體，擬針對我國不同地區、不同氣候條件分析在應用天空輻射制冷技術后的運行階段所能實現的減碳效果，以及該效果對我國碳中和目標的預期貢獻。
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成果掠影
本文研究了輻射制冷技術在我國建筑應用的減碳預期，即降低建筑運行階段碳排放的潛力。以《中國統計年鑒》、《中國建筑業統計年鑒》和《中國人口普查年鑒》為依據統計我國目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類型的存量面積。結果表明我國目前建筑存量面積約為 774.9 億m2，可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農村住宅、廠房及倉庫、辦公用房、科教文體娛用房、批發零售餐飲用房、其他建筑、居民服務業用房、醫療用房。
展開 傳統的蒸汽壓縮冷卻策略，比如空調的制冷消耗了大量的化石燃料發電，導致碳排放增加，進一步使全球氣候惡化。
輻射冷卻能夠以熱輻射的形式將地球的熱量傳遞到外太空，無需任何能量輸入的條件下，在日間通過最小化太陽能吸收實現了低于環境溫度的降溫效果，這種零能高效的降溫方式為節能建筑、人體熱管理和太陽能電池熱管理等領域的發展提供新的策略和機遇。在這種背景下由于輻射冷卻材料可以自發地將熱輻射散發到寒冷的外層空間的優越能力而成為目前研究的焦點。
最近開發了一系列先進的功能材料和復雜的策略，通過在亞波長尺度上操縱光-物質相互作用來促進被動、高效和可持續的輻射冷卻性能或先進的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結構都是光學靜態的，無論環境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發揮作用。人們非常希望開發出能夠根據需要在冷卻和加熱模式之間動態切換的先進輻射冷卻材料。
纖維素存在于許多常見的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由細菌進行分泌合成。細菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）是一種由細菌分泌合成的纖維素材料。同時，BC還具有可大規模制備和純度高的特點，被廣泛應用于智能電子、熱管理和生物醫藥等領域。然而，細菌纖維素材料應用于輻射冷卻領域存在大氣窗口中紅外發射率較低，限制了其在輻射冷卻領域的應用。
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成果掠影
近日，天津大學封偉教授、王玲教授團隊通過原位生長技術成功開發了具有太陽光透過率可調特性的細菌纖維素基輻射冷卻材料。該團隊報道了生物合成細菌纖維素(BC)基輻射冷卻(Bio-RC)材料的設計和規模化制造，該材料具有可切換的太陽透射率。該材料是通過在原位培養過程中將二氧化硅微球與連續分泌的纖維素納米纖維纏結而開發的。
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而在大多數實際環境中，單選擇型熱發射體的制冷性能會劇烈降低，相比非選擇型發射體的制冷優勢并不明顯，甚至可能更差，這顯然限制了輻射制冷材料的實際應用。
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成果掠影
近日，清華大學化工系張如范課題組在輻射制冷材料研究方面取得重要進展。
尤其是近 10年來，隨著納米光學和超材料技術的發展，可以在白天實現低于環境溫度的輻射制冷材料被制備出來。輻射制冷材料的深入研究也為大規模應用輻射制冷技術提供了可能。在碳中和大背景的推動下，輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。
來源 | Journal of Energy Chemistry
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背景介紹
隨著溫室效應的加劇，全球平均溫度逐年上升，使得人們對制冷的需求不斷增加。傳統的基于壓縮式的制冷方式（如：空調）往往是將熱量從室內轉移到室外，并且需要消耗大量的能源，加劇了全球氣候變暖。因此，在當今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產生活中制冷所需的能耗已成為當下的熱門研究方向
另外，從被動輻射制冷角度，設計材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強烈發射功能，目前已報道的輻射制冷材料可分為四類：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。
圖3 納米纖維膜在光熱調控中的應用。
來源 | Small
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背景介紹
相變材料具有儲存和釋放潛熱的功能，在熱管理領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的相變材料只能一次性釋放完畢所有存儲的能量，而不能像電化學電池一樣能夠按需啟動和停止能量釋放能量，從而造成了極大的不方便和能源浪費。在這種情況下，迫切需要能夠按需啟動和停止能量釋放的間歇性放熱相變材料
來源 | Small
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背景介紹
隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，到2050年實現碳中和無疑是世界最迫切的任務。建筑可以在全球低碳轉型中發揮關鍵作用，因為2018年建筑能耗占總能耗的30-40%，其中約50%的建筑能耗用于采暖、通風和空調。傳統的蒸汽壓縮冷卻策略，比如空調的制冷消耗了大量的化石燃料發電，導致碳排放增加，進一步使全球氣候惡化
來源 | Materials Today
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背景介紹
熱電( TE )技術作為一種綠色的工程解決方案，在小規模制冷和余熱回收方面越來越受到關注。在實際應用中，固態冷卻是其主導應用，由于具有高可靠性和緊湊性、無噪音運行、精確控溫等優點，已經具有成熟的商用市場。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運以提高
來源 | Progress in Materials Science
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背景介紹
隨著全球變暖加劇和極端高溫天氣頻發，人體、建筑、設備等的降溫需求日益迫切。傳統制冷系統雖然能夠實現降溫，但其運行所需的制冷劑和電力嚴重加劇了溫室效應和能源消耗，對綠色可持續發展構成巨大威脅。是否存在一種新型的綠色降溫方式，可以在不消耗能源的情況下實現降溫
來源 | ACS Photonics
原文 | https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241
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背景介紹
日間輻射制冷（PDRC）技術是一種環境友好型的零能耗被動式制冷技術，能夠有效減少當前人類用于制冷的能源消耗，從而緩解能源與環境危機
本節對夜間和日間輻射制冷材料進行了回顧，并對動態輻射制冷材料的最新研究進展進行了總結。
2.1 夜間輻射制冷材料
夜間輻射制冷指在夜間達到低于環境溫度的冷卻，寬譜和選擇性輻射材料均可實現這一功能。
