【儀表網 研發快訊】隨著全球能源需求的不斷增長、城市化進程的加速推進以及氣候變化的日益嚴峻，傳統的能源密集型溫控手段已難以滿足節能減排和生活品質提升的雙重需求。光熱調控技術作為一種新興的解決方案，通過高效調控光能與熱能的轉化、傳遞、存儲和散發過程，優化能源利用效率和溫度控制效果，對于實現建筑節能和人體熱管理具有重要意義。近期，化工系張如范團隊在高性能光熱調控材料研究領域取得了多項重要原創性成果，為相關技術的發展和應用提供了有力支撐。
首先，研究團隊開發了一種新型的建筑節能技術。眾所周知，建筑能耗占全國總能耗的30%左右。如何在滿足室內舒適度要求的同時，降低建筑運行能耗和碳排放，已成為亟待解決的核心難題。針對建筑物的非透明式圍護結構，研究團隊設計并制備了一種電驅動的動態輻射熱調控材料，該材料具有多種顏色，適用于全年建筑節能。所制備的動態輻射熱調控材料能夠動態且獨立地調節太陽輻射和中紅外輻射，并展示了三種不同的工作模式：加熱模式、白色冷卻模式和多色彩冷卻模式(藍色、綠色)。所制備的動態輻射熱調控材料的熱調節能力顯著提高，冷卻和加熱模式之間的功率差異為659 W/m²，溫度調節范圍高達11℃。模擬計算表明，所制備的動態輻射熱調控材料可以在季節性溫度變化的城市中減少全年建筑能耗16.75 MJ/m²。這種設計不僅最大化了熱調節能力，還滿足了審美需求，顯示出廣泛的實際應用潛力。該工作以“一種適用于建筑全年節能的電驅動動態多色輻射熱調節材料”(An Electro-Driven Dynamic and Multicolored Radiative Thermal Regulation Material for All-Year-Round Building Energy Saving)(論文1)為題，于2024年12月1日發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。
圖1.電驅動動態多色彩輻射熱調控材料的光譜設計示意圖
第二，研究團隊開發了一種高性能的電致變色節能智能窗。窗戶作為建筑的關鍵部分，對室內溫度和居住舒適度有著顯著影響。雙波段電致變色智能窗通過動態調節可見光和近紅外光的透過率，在降低建筑能耗和改善居住舒適度方面具有很大的潛力。然而，現有的電致變色智能窗性能未能滿足實際應用的需求。研究團隊開發了一種具有高離子導電性、良好的電化學穩定性和機械柔韌性的新型固態電解質，所制備的固態電解質具有高離子導電率(6.48 mS/cm)和高透過率(>90%)。基于這種固態電解質的電致變色智能窗具有快速的變色速度(著色/褪色時間分別為3.0 s和3.2 s)、良好的穩定性(1000次循環無明顯衰減)、高著色效率(373.8 cm²/C)以及在全太陽光譜范圍內的高光學調制能力(在673 nm、1200 nm和1600 nm處調制范圍分別為85%、70%和43%)。該智能窗具有明亮、涼爽、黑暗三種工作模式，可大幅度調節室內溫度，在降低建筑能耗和提升居住舒適度方面具有巨大潛力。該研究以“一種用于高性能的雙波段電致變色智能窗的局部解離的固態聚合物電解質”(A Local-dissociation Solid-statePolymer Electrolyte with Enhanced Li+Transport for High-performance Dual-band Electrochromic Smart Windows)(論文2)為題，于2024年12月4日發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。
圖2.高性能雙波段電致變色智能窗的結構示意圖及實物照片
第三，研究團隊開發了一種高性能輻射制冷防曬霜。隨著全球夏季高溫天氣的增多，尤其是2024年南亞地區超過50°C的極端高溫，戶外強烈的太陽輻射對人類健康構成了嚴重威脅。傳統防曬產品通過吸收或反射紫外線(UV)來保護皮膚，但其對可見光和近紅外光的高透射性，無法避免太陽輻射熱對皮膚的加熱，從而導致傳統防曬霜在高溫環境下難以維持人體表面溫度的舒適性。為了應對這一問題，研究團隊開發了一種具有高效輻射制冷性能的防曬霜。該防曬霜不僅能顯著降低皮膚溫度，還能有效地阻擋紫外線輻射。通過調整防曬霜在紫外光、可見光、近紅外光和中紅外光波段的透射、反射和發射特性，這種輻射冷卻防曬霜(RC防曬霜)實現了高達90.19%的太陽光反射率和92.09%的中紅外發射率，能夠有效地將熱量散發至外太空。該防曬霜顯示出優異的制冷性能，在各種夏季戶外場景中，涂有輻射制冷防曬霜的皮膚表面溫度相比裸露皮膚降低4.2-6.0°C，相比傳統防曬霜降低2.3-6.1°C。該工作以“高性能輻射制冷防曬霜”(A High-Performance Radiative Cooling Sunscreen)(論文3)為題，于2024年12月15日發表于《納米快報》(Nano Letters)。
圖3.輻射制冷防曬霜的概念設計、模型構建以及理論模擬
第四，研究團隊開發了一種集成優異排汗性能、熱傳導性能和輻射制冷降溫性能于一體的超涼爽織物。中國特殊的氣候條件，如溫帶和亞熱帶地區夏季的高溫濕熱環境，對個體舒適性和能源使用提出了更高要求。輻射制冷是一種新興的零能耗熱管理技術，對高溫天氣戶外場景中的人體降溫具有重要意義。然而，現有的紡織品受限于固有降溫功率低、疏水性高和導熱性差等問題，尤其是炎熱夏季伴隨的排汗和散熱問題，難以在實際應用中實現令人滿意的降溫效果。研究團隊開發了一種集成優異排汗性能、熱傳導性能和輻射制冷降溫性能于一體的超涼爽織物。該織物正面采用聚甲醛(POM)納米紡織品作為選擇性輻射制冷發射體，反面采用親膚導熱硅膠作為熱傳導體，并采用圖案化的竹紗線(一種從竹子中提取的纖維素纖維，具有良好的親水性)作為汗液傳輸通道。這種織物能夠迅速(幾秒鐘內)從皮膚表面吸收汗水并傳輸至織物外側，同時織物導熱系數高達1.5 W/(m·K)，防止人體在高溫戶外出現過熱現象，表現出優異的人體降溫效果(比沒有汗液時的超織物低10.9 ℃)。此外，在不排汗的情況下，所制備的超涼爽織物仍能夠比商用棉織物實現9.6 ℃的降溫，這項研究為設計具有實際應用價值的個人熱管理紡織品提供了一種新的思路。該工作以“集成針織導汗和涂層導熱的輻射制冷超織物”(Radiative Cooling Meta-Fabric Integrated with Knitting Perspiration-Wicking and Coating Heat Conduction)(論文4)為題，與2024年12月31日發表于《美國化學會·納米》(ACS Nano)。
圖4.導濕導熱的輻射制冷超織物設計示意圖
張如范為上述四篇論文的通訊作者，化工系2021級直博生趙思名、博士后吳學科(已出站)、2021級本科生郭震宇為論文1的共同第一作者，化工系2020級直博生李潤為論文2的第一作者，化工系科研助理徐佳琪為論文3的第一作者，化工系訪問學者劉瑞娜和趙思名為論文4的共同第一作者。相關研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、清華-豐田聯合基金等的資助。
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