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  隨著全球氣溫持續上升，如何實現高效、環保的溫控，特別是高溫環境下的降溫管理，已成為節能減排的重要方向。傳統的空調和冷卻系統不僅能耗巨大，還會產生大量碳排放，利用輻射制冷技術能真正實現“零能耗”冷卻。近年來，各類聚合物基輻射制冷材料不斷涌現，但在制備過程中常面臨兩個重要問題：（1）制備多孔散射結構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用。

  近日，鄭州大學材料科學與工程學院王建峰副教授/王萬杰教授團隊提出了一種環保、低成本的加工方法—利用普適的熔融加工工藝，在無溶劑條件下實現多孔聚合物納米復合材料的原位制備。研究人員選用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作為基體，加入廉價且環保的碳酸氫鈉（NaHCO?）粉末，在高溫條件下，NaHCO?發生熱分解，釋放出二氧化碳形成微孔（平均尺寸約2.72? μm），同時轉化為碳酸鈉（Na?CO?）納米顆粒均勻分散于聚合物基體內（平均尺寸約228 ?nm），從而構筑出微孔與納米顆粒相結合的分級結構。該策略不僅避免了溶劑使用帶來的環境污染，還可調控材料內部孔隙率和納米顆粒的分布情況，賦予復合材料高太陽反射率（94.2%）和高中紅外發射率（94.5%），實現優異的被動輻射制冷性能。戶外測試表明，復合材料（FPCS）在高溫環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用潛力。此外，FPCS在零度以下的環境中也能實現高效的亞環境降溫，在建筑節能、冷卻水、防止冰川融化等場景中展現較好的冷卻效果。通過模擬實驗進一步驗證了FPCS在全球范圍內的節能潛力，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筑微孔與納米顆粒相結合的分級結構，制得高反射、高發射的多孔聚合物輻射制冷納米復合材料，制備過程環境友好、成本低且易規模制造，為制備輻射制冷高分子復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/納米顆粒分級結構的基本機制。(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內原位形成微孔的散射效率。(h) FPCS內原位形成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波段的實測太陽反射率及中紅外發射率光譜。

圖2. (a)戶外輻射冷卻實驗裝置示意圖。(b) 戶外輻射冷卻實驗裝置實物圖。(c)連續24小時太陽輻照強度實時監測曲線。(d)連續24小時相對濕度實時監測曲線。(e) FPCS溫度變化實時監測曲線。(f) 白天正午時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)戶外蓄冰實驗裝置示意圖。(b) FPCS腔室、金屬腔室及環境溫度在連續4小時內的實時監測溫度曲線。(c) FPCS腔室與金屬腔室內冰質量損失曲線。(d) 連續4天實驗后FPCS覆蓋的冰雪與裸露冰的狀態變化對比實物圖。(e) 戶外水冷實驗的實時溫度監測。(f) 正午時段連續4小時內冷卻水溫度及太陽輻照強度的實時監測曲線。(g) FPCS在水冷過程中實時監測的冷卻功率變化。

圖4. (a) FPCS在炎熱天氣條件下進行連續72小時戶外冷卻實驗。(b) FPCS與環境溫度的溫差對比。(c) 白天FPCS的實時輻射冷卻功率。(d) 夜間 FPCS的實時輻射冷卻功率。(e) 在全球范圍內覆蓋FPCS的建筑節能能力模擬結果。(f) FPCS在10個代表性國家和地區的冷卻節能效果及節能效率對比。(g) 全球不同地區建筑外表面覆蓋FPCS后的二氧化碳排放減少潛力。(h) 10個代表性國家和地區電力節能效率分析。

  此外，為解決傳統紡織品熱調節能力有限，難以在高溫高濕氣候條件下實現熱舒適的問題，該團隊開發了在高濕度、高溫和透氣條件下表現出卓越冷卻性能的具有分層核殼微/納米結構的相變氟化聚氨酯-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%）、高紅外發射率（92%）、高導熱率（4.504 W m^-1 K^-1）和增強熱函（43.3 J/g），集輻射冷卻、相變和熱傳導于一體。與傳統棉織物相比，在環境溫度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、優異的熱誘導形狀記憶效應，有助于其在各種場景中個人熱管理應用，為高溫高濕環境下實現皮膚透氣降溫熱舒適提供了可行策略。相關成果以“Hierarchically core-shell nanofiber textiles for personal cooling in hot and humid conditions”為題發表在《Nano Energy》上（doi/10.1016/j.nanoen.2024.109400）。

圖1. (a) 集太陽光反射、選擇性熱輻射發射、熱傳導和PCM儲熱于一體的熱調節功能PFSM紡織品示意圖。(b) PFSM制備過程示意圖。

圖2. PFSM的形態和光學特性。(a) 同軸靜電紡絲制造的PFSM實物照片。(b) PFSM膜的SEM圖。(c) 膜纖維直徑統計分布。(d) PFSM 的能量色散光譜映射圖。(e) 90℃水洗48小時處理的核殼結構相變復合纖維的SEM圖。（f）PFSM纖維的TEM圖。(g) PFSM的復光譜折射率 (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-凝固循環后的DSC 曲線。(f) PFSM的導熱率。(g) PFSM和PEG@FPU膜從臨時彎曲形狀恢復到原始直形的實物照片。(h) PFSM 和PEG@FPU的形狀恢復率隨著恢復時間的增加而變化。

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、折疊和打結條件下（上）以及形狀恢復前后（下）的實物照片。(f) FPU、PEG@FPU和PFSM的應力-應變曲線。(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物圖。(b, d, f) 棉花、模擬裸露皮膚、FPU/ Si₃N₄、PFSM和環境空氣以及太陽輻照度的溫度數據。(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冷卻性能。(i) 裸露皮膚、棉花和 PFSM 的平衡穩定溫度。穿著棉布（左）和 PFSM（右）的人在室外環境中的(j)光學照片和(k)紅外圖像。

圖6. PFSM在便攜式電子設備中的實際冷卻應用。(a)裸電子設備和(b) PFSM覆蓋電子設備的工作原理示意圖。(c) 冷卻電子設備的實驗裝置示意圖。(d) 實時監測覆蓋有PFSM裸機備用便攜式充電器的溫度曲線和太陽輻照度。(f)實時監測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備進行充電。(e, g) 在不同濕度條件下 PFSM與充電器的溫差。(h)手機屏幕覆蓋PFSM的照片。(i) 陽光直射下快速充電不同時間，覆蓋PFSM的手機屏幕熱像圖。

  近年來，鄭州大學王建峰副教授/王萬杰教授團隊面向國民經濟與國防安全重大需求，圍繞熱在輻射過程中的科學問題，聚焦熱輻射操控高分子功能復合材料開展系列研究，通過多尺度形態結構設計和微納加工復合成型，調節高分子材料在紫外-可見-近紅外-中紅外波段（0.3-20 μm）的光譜發射/吸收/反射特性，構筑了具有可見光透明/不透明低紅外發射、低紅外發射/高太陽吸收、高紅外發射/高太陽反射、高紅外發射/高太陽吸收等光譜特性的系列熱輻射操控高分子功能復合材料，實現高效輻射熱管理，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）等方面的應用。以上研究得到國家自然科學基金、中原科技創新青年拔尖人才、河南省優秀青年基金、中國博士后特別資助、河南省聯合基金優勢學科培育項目、河南省科技攻關與重點研發專項、鄭州大學優秀青年人才創新團隊等項目支持。

  原文鏈接：

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

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