AC米兰官网-文献前沿丨Chemical Engineering Journal：自清洁双模辐射冷却加热材料实现多场景热管理

　　AC米兰·(中文)官方网站-Milan brand-随着建筑能耗问题日益严峻，被动辐射冷却与太阳加热作为绿色温控技术受到广泛关注。然而，现有材料多为功能静态、模式单一的设计，难以适应动态季节与天气变化，且表面易受污染而导致性能显著衰减。针对上述挑战，本研究设计并制备了一种可切换自清洁双模薄膜。该薄膜以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物为基体，通过相分离与喷涂工艺，分别在其两侧引入经疏水改性的纤维素纤维与碳纳米管，构建出具有微纳多孔结构的Janus功能表面。该设计使薄膜冷却侧具备高达97.1%的太阳反射率与97.9%的红外发射率，在日间户外可实现低于环境温度7.9℃的辐射冷却；而加热侧则拥有95.7%的太阳光吸收率，可实现最高47.8℃的升温。同时，两侧表面均呈现超疏水特性，水接触角分别达156°和158°，赋予其优异的自清洁能力，清洗前后温差不超±2℃。薄膜在酸/碱环境中浸泡7天及经受多次机械摩擦后，其光学与热管理性能保持稳定，未出现分层或损坏。该薄膜制备工艺简单，具备规模化生产潜力，仅通过翻转即可实现冷却与加热模式的灵活切换，为建筑节能、个人热管理及户外设备等领域的动态、全天候热管理提供了创新且实用的解决方案。相关工作以Switchable self-cleaning dual-mode films with passive radiative cooling and heating for multi-scenario thermal management为题发表于

　　本文围绕实现动态热管理并提升材料环境适应性，设计了一种可切换自清洁双模薄膜。首先，文章展示了薄膜的冷却/加热工作原理与Janus结构设计（图1a）；通过材料改性（@POS）与喷涂-相分离工艺制备了SSDF薄膜（图1b-c）；SEM图像显示冷却面呈珊瑚状多孔结构，加热面为三维纤维网络，二者均具微纳粗糙度（图2a-d）；光谱测试表明冷却面太阳反射率达97.1%、红外发射率达97.9%，加热面太阳吸收率达95.7%（图2e-f、图1d）；户外实测中，冷却面实现最大低于环境温度7.9℃的辐射冷却，加热面可实现最高47.8℃的升温（图3b-c）；自清洁测试显示，薄膜两面水接触角分别达156°和158°，污染物可被水滴有效清除（图4a-h）；污染后薄膜温控性能下降，但自清洁后可恢复，温差波动≤±2℃（图5b-c、e-f、h-i）；耐久性测试表明薄膜在酸/碱浸泡与机械摩擦后仍保持超疏水性与稳定的热管理性能（图6a-f）；汽车与房屋模型实验证实了其在真实场景中的有效冷却与加热能力（图7a-f）。结果表明，该薄膜具备高效可切换的冷却/加热功能、优异的自清洁特性及良好的环境耐久性，为多场景动态热管理提供了实用解决方案。

　　图1.（a）双模式冷却（右侧）与加热（左侧）功能的工作原理图。（b）纤维素纤维与碳纳米管的改性及其作用机理示意图。（c）可切换自清洁双模薄膜的制备流程示意图。（d）冷却面的反射率与发射率曲线（黑色线）以及加热面的反射率曲线（红色线）。（e）多种液滴在SSDF超疏水状态下的数码照片：（I）冷却侧与（II）加热侧。（f）大规模SSDF样品的数码照片，比例尺为10厘米。（关于图例中颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）

　　图2.（a）SSDF冷却侧的实物照片。（b）冷却侧表面的扫描电子显微镜图像，附接触角照片。（c）SSDF加热侧的实物照片。（d）加热侧表面的扫描电子显微镜图像，附接触角照片。（e）不同CNF@POS浓度下冷却侧的紫外-可见-近红外反射率与红外发射率曲线。（f）不同CNT@POS浓度下加热侧的紫外-可见光吸收率曲线。（g）SSDF在一个太阳光强度下处于冷却模式与加热模式时的红外热成像图像。

　　图3.（a）户外测试装置照片（上图）及其示意图（下图）。（b）覆盖SSDF的表面与环境温度曲线。（c）冷却侧、加热侧与环境之间的温差。（d）未复合薄膜（单独薄膜）与覆盖SSDF表面的温度对比。（e）CS-50样品与SSDF冷却侧、HS-40样品与SSDF加热侧的温差对比。

　　图4.（a）冷却侧在不同CNF@POS浓度下的接触角数值，并附有接触角照片。（b）冷却侧表面的SEM图像及（c）高倍放大图像。（d）加热侧在不同CNT@POS浓度下的接触角数值，并附有接触角照片。（e）加热侧表面的SEM图像及（f）高倍放大图像。（g）冷却侧（I）与加热侧（II）银镜现象的实物照片。（h）冷却侧（I-II）与加热侧（III-IV）自清洁效果的实物照片。

　　图5.（a）SSDF温度测量示意图。（b）冷却侧及（c）加热侧在自清洁前、污染过程中及自清洁后的温度曲线。（d）冷却侧自清洁效果的照片。（e）自清洁前RC薄膜与SSDF冷却侧的温度对比。（f）自清洁后RC薄膜与SSDF冷却侧的温度对比。（g）加热侧自清洁效果的照片。（h）自清洁前SH薄膜与SSDF加热侧的温度对比。（i）自清洁后SH薄膜与SSDF加热侧的温度对比。

　　图6.（a）SSDF在pH=1、pH=7及pH=14的溶液中浸泡7天后，其接触角与滚动角的变化。（b）在pH=1及（c）pH=14溶液中浸泡7天的SSDF与未浸泡SSDF的温度曲线对比。（d）冷却侧与（e）加热侧在经过多次手指触摸摩擦测试后接触角与滚动角的变化，并附有接触角图像。（f）经过手指触摸摩擦后的SSDF与未经过摩擦的SSDF的温度曲线对比。（g-i）SSDF在弯曲、卷曲及折叠状态下的照片。

　　图7.（a）三个汽车模型及（b）三个房屋模型的照片；中间为暴露的模型，另外两个分别覆盖了处于冷却模式与加热模式的SSDF。（c）户外条件下三个汽车模型及（d）三个房屋模型的热红外图像。（e）三个汽车模型及（f）三个房屋模型在阳光照射下的实时温度曲线。

　　小结：本研究提出了一种可切换自清洁双模多孔聚合物薄膜，该薄膜能够实现全天候辐射冷却与太阳加热功能。此薄膜以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、改性纤维素纤维和改性碳纳米管为原料，通过喷涂与相分离技术制备而成。在冷却模式下，该薄膜凭借其粗糙表面产生的强漫反射效应，以及高达97.1%的太阳反射率与97.9%的红外发射率，展现出优异的辐射冷却性能。在日间，该薄膜最大可低于环境温度7.9°C，平均冷却幅度为5.1°C。在加热模式下，得益于碳纳米管的高太阳吸收特性与光热转换效率，以及薄膜内部多重光反射结构的协同作用，加热侧的吸收率达到95.7%，最高升温可达47.8°C，平均升温为31.3°C。该薄膜还具备出色的自清洁特性。其冷却侧与加热侧的接触角分别达到156°和158°，这一特性确保了薄膜在清洁前后，低于环境温度的波动范围不超过±2°C，充分彰显了其卓越的抗污性与稳定性。此外，薄膜在化学稳定性、机械耐久性、柔韧性以及界面结合强度方面表现良好。在酸性和碱性环境中浸泡7天后，其平均冷却与加热温降仍低于4.5°C；经过80-120次手指触摸摩擦循环后，两侧接触角仍保持在150°左右，且冷却与加热性能未发生明显改变，结构完整无分层现象。该薄膜的制备工艺简便，仅涉及相分离与喷涂技术，具备良好的可扩展性。通过翻转薄膜，即可轻松实现冷却与加热模式之间的切换，使其能够灵活适应各种环境条件，满足动态热管理需求。本研究提出的可切换自清洁双模薄膜，为全天候辐射冷却与太阳能加热提供了一种创新且实用的解决方案，在高效节能建筑和可持续能源系统等领域展现出显著的应用潜力。