研究背景
全球变暖导致海平面上升、热浪频发及野火风险上升，同时空调等制冷设备的电力需求急剧增长，预计到2050年耗电量将增至三倍。被动日间辐射冷却（PDRC）技术通过高太阳光反射率减少热量吸收，并利用中红外波段在大气透明窗口向太空散热，成为缓解能源压力和气候危机的有效路径。
现有PDRC材料存在明显短板：无机材料制备复杂、成本高，难以规模化；聚合物基材料虽经济可扩展，但易受紫外线降解、泛黄且易燃；部分陶瓷材料则存在脆性大、柔韧性差、耐温性不足等问题。因此，开发兼具高效冷却性能、长期耐久性和环境适应性的新型PDRC材料至关重要。
近期，台湾国立清华大学万德辉教授团队研发出一种超耐用、柔性的ZrO₂-Al₂O₃纳米纤维膜（sh-ZANF），用于可持续被动辐射冷却。该材料通过电纺丝结合无氟表面改性工艺制备，具备97.7%的太阳反射率和95.6%的大气透明窗口发射率。在817 W/m²太阳辐照下，实现6.6℃亚环境降温，最大冷却功率达125 W/m²。应用于建筑、汽车及电子设备模型时，分别降温14.7℃、16.8℃和11.1℃。该全陶瓷纳米纤维可耐受超过1400℃高温，具有自清洁能力，通过多项加速老化测试，预计每年每平方米节能超10 MJ，减排CO₂高达27%。研究成果发表于《ACS Nano》，题为“Superdurable, Flexible Ceramic Nanofibers for Sustainable Passive Radiative Cooling”。
材料设计与制备
材料选择
选用ZrO₂与Al₂O₃复合制备超疏水纳米纤维膜（sh-ZANF）。ZrO₂具有高折射率（n=2.07）、宽禁带（5.7 eV）和极高熔点（2370°C），可有效散射太阳光并具备优异阻燃性；引入少量Al₂O₃可提升纤维柔韧性和中红外光学性能。
制备工艺
采用溶胶-凝胶结合电纺丝技术，以前驱体Zr(CH₃COOH)₄、AlCl₃・6H₂O、Al(O-iPr)₃和聚环氧乙烷（PEO）共纺，经800°C煅烧形成全陶瓷纳米纤维膜。通过二甲氧基二甲基硅烷（DMDMS）与四乙氧基硅烷（TEOS）进行无氟表面改性，实现稳定超疏水特性。
材料特性与性能
微观结构
sh-ZANF呈高度多孔纳米纤维结构，平均直径404±58 nm，孔隙率达93%，由四方相氧化锆（t-ZrO₂）与非晶态Al₂O₃组成。
光学性能
太阳反射率达97.7%，源于纤维/空气界面高折射率差异引发的强光散射；大气透明窗口发射率为95.6%，得益于Al-O/Zr-O键的声子-极化子共振效应，且无显著Reststrahlen吸收峰。
冷却性能
在817 W/m²太阳辐照下，实现6.6°C亚环境降温，最大冷却功率125 W/m²；夜间冷却功率达112 W/m²，峰值降温4.6°C。覆盖建筑、汽车及手持相机模型后，表面温度分别降低14.7°C、16.8°C和11.1°C，并使相机电池寿命延长31%。
热稳定性与阻燃性
可承受超过1400°C高温，在火焰直接暴露1200秒后无点燃或明显劣化，适用于火灾防护场景，有效保护建筑与人员安全。
耐久性
具备自清洁功能，能排斥水、牛奶、红酒、咖啡等多种液体污染；通过湿热、强紫外线、酸碱腐蚀等加速老化测试，性能保持稳定，适合长期户外使用。
图1.（A）sh-ZANF示意图，展示其被动日间辐射冷却、轻质、耐候与防火性能；（B）大面积膜实物图；（C）SEM图像显示均匀纤维结构；（D）STEM及EDS元素分布图；（E-G）分别体现轻量化（密度≈0.163 g/cm³）、柔韧性与防火性；（H）对多种液体的超疏水表现。
图2.（A）不同纳米纤维在太阳波段的散射效率对比；（B）FDTD模拟电场分布；（C-D）计算太阳反射率与中红外发射光谱；（E-G）不同厚度ZANF膜的光学性能变化趋势。
图3.（A）HR-TEM图像揭示晶体与非晶区域；（B）XRD图谱；（C）拉曼光谱；（D）拉伸性能曲线；（E-K）不同基重样品的光学性能比较；（L）关键参数汇总；（M-P）理论计算的平衡温度与冷却功率随传热系数变化。
图4.（A-B）sh-ZANF耐火测试与隔热示意图；（C）燃烧对比实验；（D）钢板防护效果；（E）力学性能保持率；（F）房屋模型防火验证；（G）燃烧前后光学性能稳定性；（H-I）与同类材料在工作温度、光学性能及轻量化方面的对比。
图5.（A-B）实测装置图；（C-D）昼夜降温曲线；（E-F）实测冷却功率；（G-H）建筑与汽车模型热成像与内部温变；（I）相机表面降温与电池寿命提升；（J-K）台北地区全年环境与表面温度模拟；（L-M）全球16座主要城市年节能量与碳减排预测。
图6.（A）接触角测试结果；（B-C）不同pH溶液处理前后光学性能与疏水性；（D）泥水污染后的自清洁效果；（E-F）湿热与紫外线老化前后光谱稳定性。
结论
sh-ZANF纳米纤维膜成功克服了传统聚合物与陶瓷基PDRC材料在实际应用中的局限。其97.7%的太阳反射率与95.6%的大气透明窗口发射率赋予卓越冷却性能，理论冷却功率达113.4 W/m²。实验测得白天降温6.6°C、夜间4.6°C，最大冷却功率分别为125 W/m²和112 W/m²。在建筑、汽车及电子设备上的应用验证了显著降温效果，并延长设备使用寿命。材料可耐受1407°C高温，具备优异阻燃性与长期耐候性，适用于极端环境下的户外覆盖。综合来看，sh-ZANF是一种柔性、超轻、阻燃且稳定的辐射冷却材料，有望广泛应用于建筑节能、交通降温及电子设备热管理等领域，助力应对全球变暖与能源挑战。