随着全球气候变化和能源需求的增加，开发高效、节能的冷却技术变得越来越重要。传统的空调和冷却设备通常依赖电力驱动，导致了大量的能源消耗和温室气体排放。因此，寻找替代方案成为研究的重点。在众多冷却技术中，被动辐射冷却（PRC）因其无需外部能源驱动且无污染的特点，受到广泛关注。
近期，河北工业大学朱吉亮等人针对辐射冷却装置表面颜色单一且透过率低的问题，选取具有高中红外发射率的液晶聚合物，采用液晶分子自组装和聚合诱导的螺距梯度法，成功制备了一种结构色可定制、防紫外的被动辐射冷却胆甾相液晶（PRC PSCLC）薄膜 (Small, 2024, 202400578)。这种薄膜在中红外范围内具有高发射率，在可见光范围内保持透明的同时能有效反射阳光。实验结果证明，在日间太阳强度为717 W/m²时，该薄膜日间可降温5.4°C，夜间可降温7.9°C。考虑到人类视觉的效率功能，设计并制备了鲜艳的红色、绿色、蓝色结构色和无色薄膜，可以有效抑制太阳能输入的同时，可以有效控制可见光的透射率。通过施加交流电场，该薄膜基于欧姆效应可用于升温（可达11.1°C）。这项研究为智能窗户和柔性可穿戴设备的热管理和美学功能化提供了一个新的视角。相关研究成果以“Anti-UV Passive Radiative Cooling Chiral Nematic Liquid Crystal Films for Thermal Management”为题发表在Small上。论文第一作者为河北工业大学理学院硕士研究生杜怡珂，通讯作者为河北工业大学理学院朱吉亮副教授和周璇副教授。闽都创新实验室/上海交通大学的叶志成教授也对该研究工作有贡献。
图1. PRC PSCLC膜的理论分析和光学特性。a）PRC PSCLC薄膜的结构和功能示意图，能够选择性地反射太阳光，通过大气窗口有效发射红外光，优异的紫外吸收能力；b）蓝色、绿色和红色PSCLC薄膜的反射光谱，插图是偏振光学显微镜下对应的织构图；c）紫外光聚合前后PSCLC薄膜的反射光谱；d）50μm PRC PSCLC膜在紫外-可见-红外范围内的吸收/发射光谱。
图2. PSCLC薄膜在大气透明窗口内的辐射特性。a）PSCLC薄膜的吸收光谱。b）具有不同C-O-C含量的PSCLC薄膜的发射率。
图3. PSCLC膜在太阳光波长范围内的反射特性。a）UV-320的吸收光谱；b）不同RM257含量的PSCLC薄膜（从17.55%到97.55%）的反射率和FWHM；c）不同厚度的PSCLC薄膜（从5到75μm）的反射率和FWHM；d）蓝色、绿色、红色和透明的PSCLC薄膜的透射光谱。
图4. PSCLC薄膜的被动辐射冷却性能。a）位于中国天津平坦开阔区域的实验装置图；b）测试冷却性能的实验装置示意图；c）和d）白天和夜晚户外实验的实时温度数据；e）和f） 天津市的实时风速和相对湿度。
图5. 理论模拟计算的净冷却功率。a）夜间净冷却功率。b）考虑5%太阳吸收和800 W/m2太阳辐射强度下计算的日间净冷却功率，计算中使用的hc的值为0、3、6、9和12；c）不同太阳强度下（hc = 6 W/m2/K）的辐射冷却功率。d）不同环境温度下的净冷却功率和Tamb-Ts。
图6. PSCLC薄膜在电控制下的光学性能和温度。a）PSCLC薄膜在不同电压下的反射性能；b）PSCLC薄膜在不同电压下的表面温度。
该工作是团队近期关于被动辐射冷却功能性薄膜制备与应用相关研究的最新进展之一。在过去的两年中，研发团队通过溶剂溶解和非溶剂诱导相分离的扩散制造一种各向异性的P(VdF-HFP)多孔聚合物涂层（TPCs）（iScience，2022, 25, 104126），通过调节孔隙率、孔径和孔结构，该薄膜对太阳的反射率和在大气窗口的发射率达到0.92和0.96，实现了日间6.3°C和夜间10.1°C的降温性能。该涂层还具有较强的机械强度、良好的柔韧性和延展性。研究团队还提出了一种基于辐射冷却、非辐射热传递冷却和建筑废热的平板热电发电机（TEG）(Energy, 2024, 290, 130138)，设计的TEG具有结构薄且平的优点。为了高效地利用建筑废热，设计了铜板作为热收集器，TEG冷端和热端的温差可以达到19.9℃，比没有热收集器时高228%，设计的TEG的连续输出功率与居住电力相匹配，达到了153.1 mW/m2，超过了大多数先前的工作。作为例证，利用设计的发电机成功点亮了95个发光二极管，显示了该设计在离网、连续耗电应用中具有巨大潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202400578
相关进展
河北工业大学朱吉亮团队 Small：迈克尔加成诱导自组装构筑机械变色蓝相液晶薄膜
德国KIT黄干/Bryce Richards团队 Nat. Commun. : 兼具室内光线管理及辐射制冷超材料
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