制冷和供暖消耗的能源约占世界总能源消耗的一半，且在未来30年内制冷和供暖能耗预计还将分别增加83%和79%。常用的空调和集中供暖等传统热管理技术中，大面积的空间和无生命特征物体作为制冷/加热对象消耗了大量能量，是一种严重的能源浪费，加剧了全球能源和生态危机。采用绿色可持续的制冷/加热等热管理技术对于缓解能源危机和减少温室气体排放至关重要。辐射热管理，特别是不需要额外能量输入的被动辐射制冷和被动辐射加热，近几年受到学术界和工业界的广泛关注。被动辐射制冷通过大气窗口（波长8-13 μm ）将地表热辐射传输到寒冷外层空间（~ 3 K），而对于全时段（尤其白天）被动辐射制冷材料而言，大气窗口内的高发射率和太阳光谱内（波长0.3-2.5 μm ）的高反射率是实现有效辐射制冷性能的关键。另外，被动辐射加热通常基于低红外发射（高红外反射）材料反射人体或建筑等发射的热辐射来减少热损耗，实现零能耗的被动辐射加热。被动辐射制冷/加热材料已经取得很多重要进展，但是目前的被动辐射热管理材料设计通常是静态的，不适于动态的季节和天气变化，会在寒冷的冬天造成不必要的制冷或在炎热的夏天导致多余的加热效果。因此，模式动态可切换的双模式（制冷/加热）被动辐射热管理材料是实现高效全时段被动辐射制冷/加热亟待解决的关键问题。
近日， 郑州大学材料学院王建峰副教授/王万杰教授团队 通过相反转法制备了具有丰富多层次珊瑚状结构的多孔PVDF薄膜，并在薄膜表面修饰MXene涂层，制得具有全时段动态被动辐射制冷/加热性能的双模式PVDF/MXene多孔复合薄膜。该薄膜的制冷模式侧（多孔PVDF侧）太阳光反射率和中红外发射率分别达到96.7%和96.1%，白天可实现低于环境温度9.8 °C 的制冷效果，理论功率达到107.5 W/m 2 ，夜间制冷效果为11.7 °C ，理论功率140.7 W/m 2 。而在MXene加热模式侧，薄膜的红外发射率低至11.6%，可实现8.1 °C 的被动辐射加热效果。此外，MXene涂层还具有高太阳吸收率（75.7%）和高导电性，赋予加热侧优异的太阳光加热和焦耳加热能力。该双模式薄膜可以通过翻转的形式在制冷和加热模式之间轻松切换，可以应对多种复杂的制冷/加热场景，为实现高效全时段动态被动辐射热管理提供了一种可行策略。 该研究以“Dual-Mode Porous Polymeric Films with Coral-like Hierarchical Structure for All-day Radiative Cooling and Heating”为题发表在最新一期的《 A CS Nano 》上 （doi.org/10.1021/acsnano.2c07293） 。
图1.双模式辐射制冷/加热复合薄膜原理及制备示意图
图2.双模式薄膜制冷侧和加热侧的形貌和紫外-红外吸收率/发射率 作者分别表征 了 双模式薄膜制冷侧和加热侧的紫外-红外光谱反射率和透射率率。结果表明，多孔PVDF制冷侧的太阳光反射率高达96.7% ， 大气窗口发射率达到96.1%；MXene加热侧的太阳光吸收率达到 75.7 % ， 大气窗口发射率为11.6%。
作者通过室外实验装置验证双模式薄膜的被动辐射制冷能力。结果表明，双模式薄膜在制冷模式下表现出优异的全时段辐射制冷性能，白天和夜间分别能实现低于环境温度9.8 ℃ 和11.7 ℃ 的制冷效果。此外，通过计算得到双模式薄膜的理论制冷功率达到107.5 W/m 2 （白天）和140.7 W/m 2 （夜间） 。
在加热模式下，通过与纯PVDF薄膜和裸露人工皮肤对比，双模式薄膜加热侧的辐射加热温度达到了40.7 ℃ ，分别比多孔PVDF薄膜和人工皮肤高了5.2 ℃ 和8.1 ℃ 。覆盖双模式薄膜的房屋模型内实际温度比裸露房屋1.2 ℃ ，覆盖双模式薄膜的人体手臂温度比裸皮肤温度高1.4 ℃ 。
图5.双模式薄膜的光热、电热以及多模式组合加热性能
同时，双模式薄膜加热侧由于具有较高太阳吸收率、低红外发射率和高电导率而表现出优异的太阳光加热和焦耳加热性能。在光热实验中，与其他常见材料相比，双模式薄膜加热侧的太阳光加热温度最高达到41.2 ℃ ，明显高于其他材料。此外，施加安全电压后，双模式薄膜可被迅速加热并达到稳定的温度。室内外进行的多模式结合加热实验结果表明，被动辐射加热、光热和电热三种加热模式可进行自由切换。
作者将双模式薄膜的制冷侧和加热侧分别覆盖在汽车和房屋模型上，研究了室外双模式薄膜在实物上的实际制冷和加热能力。结果表明，在太阳辐照度为600 W/m 2 时，制冷侧面覆盖的汽车内部平均温度为17.2 ℃ ，明显低于裸车（29.0 ℃ ），显示了薄膜的实际制冷能力。制冷侧覆盖的房屋模型内部平均温度为13.9 ℃ ，而裸房模型的内部平均温度为18.4 ℃ ，同时，被加热面覆盖的房屋模型内部温度为31.3 ℃ ，双模式薄膜可同时实现4.5 ℃ 的制冷能力和12.9 ℃ 的加热能力。以上实验结果表明，通过翻转双模式薄膜可实现辐射制冷和加热模式的动态转换，在空间/个人/建筑制冷和加热等实际热管理场景中具有很大的应用潜力。 该论文 共同第一作者为郑州大学材料学院硕士生石梦科 、宋子凡 、倪嘉浩 ，通讯作者为郑州大学材料学院的 王建峰 副教授。研究得到国家自然科学基金、郑州大学优秀青年人才创新团队、中国博士后特别资助/面上基金、河南省重点研发与推广专项、高分子材料工程国家重点实验室开放课题等项目支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c07293
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