南京大学朱嘉等人今日Nature Nanotechnology

第一作者：Duo Li, Xin Liu, Wei Li.

通讯作者：朱嘉、朱斌

通讯单位：南京大学

传统的冷却系统产生巨大的能耗，极大地加剧了温室效应。被动辐射冷却技术将物体的热量通过大气透明窗（8–13 μm）散发到外层空间，没有任何能量消耗，近年来引起了广泛关注。

辐射冷却的独特之处在于大气透明窗口中的高发射率，可通过该窗口将热量散发到宇宙中。因此，为了实现高冷却性能，选择性发射器的设计和制造至关重要，其中发射在透明窗口中占主导地位，合适的光谱选择可抑制周围热辐射的寄生吸收。最近，科研人员已对具有定制光谱响应的各种材料和结构进行了研究，以实现白天辐射冷却的效果。然而，大多数报道的辐射冷却材料具有覆盖整个中红外波长的宽带吸收/发射，不具有选择性。

由于中红外区的发射通常与分子键合相关，因此与复杂的自上而下制造相比，具有适当化学键合的分子级设计提供了更方便和可扩展的途径，以实现窄带和选择性吸收/发射用于辐射冷却的中红外区域。

有鉴于此，南京大学朱嘉、朱斌等人报道了一种分级设计的聚合物纳米纤维薄膜，能够实现选择性中红外发射、有效的阳光反射，具有出色的全天辐射冷却性能。

图1. 设计原理

要点1. 原理

研究表明，在所有的聚合物薄膜中，仅具有C–C，C–O和C–H键的聚环氧乙烷（PEO）具有理想的选择性吸收带，并与大气透明窗口重叠（8– 13μm）。C-O-C键合(1260-1110 cm⁻¹)和C-OH键合(1239 - 1030 cm⁻¹)在8-13 μm波长范围内的选择性发射率为78%，在0.3-2.5 μm波长范围内，控制直径的纳米纤维的反射率为96.3%。

要点2. 性能

结果显示，与夜间的非选择性发射器相比，该选择性热发射器的冷却性能提高了约3°C；即便在日光照射下，温度也降低了5°C。

图2. es-PEO结构

图3. es-PEO薄膜冷却效果

要点3. 适合规模化的制造工艺

从以上数据可知，除了需要在在大气透明窗口（8–13μm）中选择性发射热量外，还需要对太阳光谱（0.3–2.5μm）进行强反射，以实现高性能的全天辐射冷却。

但是，通过滴铸法制备的典型PEO膜在视觉上是透明的，无法满足对高阳光反射率的需求。而直径与太阳光谱波长相当的纳米纤维可以用作有效的散射体，以实现强烈的太阳反射。

于是，研究人员基于可扩展的静电纺丝工艺生产，开发了一种改进的卷对卷静电纺丝方法，合成了由无规纳米纤维组成的分层设计的PEO薄膜，用于白天的辐射冷却器。

这种静电纺制的PEO（es-PEO）薄膜，长几米，宽四分之一米，厚500μm。它的白色表示可见光的强烈散射，这主要得益于直径大小分布较广的无规则堆叠纳米纤维的多层结构。

图4. 冷却效果模拟

小结

这种分层设计的选择性热辐射器对减轻地球变暖和调节类地球行星温度的影响，并显示出显著的优势。凭借其出色的冷却性能和可扩展的工艺，这种分层设计的选择性热辐射器为通向全天候辐射冷却材料的大规模应用开辟了一条新途径。

参考文献：

Li, D., Liu, X., Li, W. et al. Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling. Nat. Nanotechnol. (2020).

DOI：10.1038/s41565-020-00800-4

https://doi.org/10.1038/s41565-020-00800-4