崔屹Joule：方向选择性红外辐射材料用于辐射制冷及加热 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

来自斯坦福大学的崔屹教授课题组最近在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了一篇题为“Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating”的研究论文。他们提出了一种通过楔形微结构对材料在红外光谱范围内的发射率进行方向性调控的方法，使得在不同角度下，材料的红外发射率可以在0.1至0.9之间变化。基于这一材料的性质，作者验证了红外辐射方向选择性在室外建筑环境的辐射制冷以及室内辐射加热领域的潜在应用。这项工作提出了一种调控辐射传热的新方法，通过改变材料红外辐射的方向性特征，可进一步提高建筑制热和制冷、工业热能利用以及太阳能热发电等领域的能源使用效率。

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第一作者：周嘉炜，Tony G. Chen

通讯作者：崔屹

单位：斯坦福大学

研究背景

材料的红外发射率是辐射传热的基础，在建筑节能、工业用热、太阳能热发电等领域具有重要应用价值。一种广泛采用的策略是通过调控红外辐射的光谱特性来实现能量控制。在建筑领域，低发射率材料可以有效降低建筑内部与环境之间的热传递，从而降低建筑能耗。典型的例子包括低发射率玻璃和低发射率涂料。相反，高发射率材料有助于促进建筑与环境之间的热交换，特别是在高温天气下，有助于建筑散热。高红外发射率和高可见光发射率的组合还可以实现白天的被动降温效果。近年来，红外辐射的光谱调控也在个人织物材料中得到广泛应用，通过管理人体局部环境的热传递，提供更高的舒适度体验。

尽管调控红外辐射的光谱特性在许多领域得到广泛应用，但他们通常更适用于环境温度均匀的情况。然而，在许多实际场景中，环境温度存在显著差异，单一的红外辐射光谱无法满足这种温差的要求。以高温天气为例，地表因吸收太阳能而升温，而天空温度较低，因此，理想的建筑墙壁材料需要既能够反射地表的热辐射，又能向天空辐射热量，以实现有效的散热 – 因此需要实现红外辐射的方向选择性。类似的温差也存在于室内环境中，例如人体和室内其他物体之间的温差。如果辐射加热器能够以方向选择性的方式只加热人体活动的局部区域，那么加热能耗就可以进一步降低。相较于对红外辐射光谱特性的广泛研究，对红外辐射方向选择性的研究相对较少。这其中，实现热辐射传热的方向选择性的关键之一是确保发射率具有广谱性质，并且在不同角度上表现出明显的变化。

图1 方向选择性红外辐射材料的应用场景与设计

本文要点

要点一：提出楔形微结构表面，实现红外辐射的方向选择性调控

根据热辐射的基尔霍夫定律，对于大部分材料而言，在特定方向上热辐射的发射率和吸收率是相等的。基于这一原理，作者设计了一种楔形微结构表面，以增强材料在特定方向上的辐射吸收，从而实现高红外发射率。具体而言，作者采用聚二甲基硅氧烷构建了微结构，其楔形结构倾斜于一侧，并在结构顶部涂覆了薄层铝金属。这种设计使得当红外光的入射方向面对楔形微结构时，大部分能量被吸收，而当红外光从另一侧入射时，大部分能量会遇到铝金属层并被反射。这种差别实现了对红外辐射率的方向性调控。作者通过红外光谱实验进一步验证，这种设计的材料可以在不同方向实现红外发射率在0.1至0.9之间的变化。此外，通过调整楔形结构的倾角，还可以进一步控制高红外发射率的范围。

图2 方向选择性红外辐射材料的制备与表征

要点二：方向选择性红外辐射材料在辐射制冷领域的应用

作者进行了进一步的实验验证，说明具有方向选择性的红外辐射材料在大温差环境下的辐射制冷性能优于传统辐射材料。以夏季建筑墙壁的散热为例，夏季期间，地表温度因吸收太阳能而上升，因此，为了避免高温地表的热辐射，一种方法是在建筑墙壁上涂覆低辐射率材料。然而，这种低辐射率材料无法有效利用天空的较低温度进行辐射散热。与之相对，尽管高辐射率材料能够实现对天空的辐射散热，但它们会吸收地表的热辐射能量。作者的实验结果揭示，当同时面对天空和地面环境时，方向选择性材料（具有朝向天空的高发射率和朝向地面的低发射率）可以比传统单一辐射率材料降低约2摄氏度的温度。此外，作者进行的建筑节能模拟计算显示，将方向选择性材料应用于建筑墙壁上可以实现夏季制冷能源的节约，降低能耗幅度在10%-40%之间。

图3 红外辐射方向选择性在辐射制冷领域的应用

要点三：方向选择性红外辐射材料在红外加热领域的应用

作者还提出了方向选择性材料在红外加热场景中的潜在应用。传统的红外辐射加热器通常表面涂覆高发射率材料，导致在加热器表面处于较高温度时，红外辐射能量会向各个方向传播。然而，在一些情况下，如室内环境，将加热限制在特定区域（如人的活动范围）可以有效减少加热能耗。作者进行了一个概念性实验，证明方向选择性材料由于其有限的高发射率角度范围，可以实现只向特定区域的辐射传热。因为朝向其他方向的热辐射较少，在同样的加热器表面温度情况下，具有方向选择性的辐射加热器与传统辐射加热相比，电能消耗可以减少约20%。

图 4 红外辐射方向选择性在辐射加热领域的应用及其动态调控

要点四：红外辐射方向的动态调控

此外，作者还进一步探讨了将红外辐射的方向性特性扩展到动态调控的可行性。由于作者设计的红外辐射方向性是通过微结构的形状实现的，因此改变微结构的形状可以实现对辐射方向的动态调控。作者提出了一种动态调控策略，即通过在聚二甲基硅氧烷中引入铁微米粒子，可以通过磁场作用力导致楔形微结构变形，从而改变红外辐射的方向。红外成像结果显示，在大角度方向（± 45°）上，磁场诱导的结构变形能够实现红外发射率在约0.2至0.8的范围内的改变。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Joule上

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▌论文标题：

Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00442-7

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.013

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