转自清华大学新闻网
清华新闻网1月10日电 随着全球能源需求的不断增长、城市化进程的加速推进以及气候变化的日益严峻，传统的能源密集型温控手段已难以满足节能减排和生活品质提升的双重需求。光热调控技术作为一种新兴的解决方案，通过高效调控光能与热能的转化、传递、存储和散发过程，优化能源利用效率和温度控制效果，对于实现建筑节能和人体热管理具有重要意义。近期，化工系张如范团队在高性能光热调控材料研究领域取得了多项重要原创性成果，为相关技术的发展和应用提供了有力支撑。
首先，研究团队开发了一种新型的建筑节能技术。众所周知，建筑能耗占全国总能耗的30%左右。如何在满足室内舒适度要求的同时，降低建筑运行能耗和碳排放，已成为亟待解决的核心难题。针对建筑物的非透明式围护结构，研究团队设计并制备了一种电驱动的动态辐射热调控材料，该材料具有多种颜色，适用于全年建筑节能。所制备的动态辐射热调控材料能够动态且独立地调节太阳辐射和中红外辐射，并展示了三种不同的工作模式：加热模式、白色冷却模式和多色彩冷却模式（蓝色、绿色）。所制备的动态辐射热调控材料的热调节能力显著提高，冷却和加热模式之间的功率差异为659 W/m²，温度调节范围高达11℃。模拟计算表明，所制备的动态辐射热调控材料可以在季节性温度变化的城市中减少全年建筑能耗16.75 MJ/m²。这种设计不仅最大化了热调节能力，还满足了审美需求，显示出广泛的实际应用潜力。该工作以“一种适用于建筑全年节能的电驱动动态多色辐射热调节材料”（An Electro-Driven Dynamic and Multicolored Radiative Thermal Regulation Material for All-Year-Round Building Energy Saving）（论文1）为题，于2024年12月1日发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
图1.电驱动动态多色彩辐射热调控材料的光谱设计示意图
第二，研究团队开发了一种高性能的电致变色节能智能窗。窗户作为建筑的关键部分，对室内温度和居住舒适度有着显著影响。双波段电致变色智能窗通过动态调节可见光和近红外光的透过率，在降低建筑能耗和改善居住舒适度方面具有很大的潜力。然而，现有的电致变色智能窗性能未能满足实际应用的需求。研究团队开发了一种具有高离子导电性、良好的电化学稳定性和机械柔韧性的新型固态电解质，所制备的固态电解质具有高离子导电率（6.48 mS/cm）和高透过率（>90%）。基于这种固态电解质的电致变色智能窗具有快速的变色速度（着色/褪色时间分别为3.0 s和3.2 s）、良好的稳定性（1000次循环无明显衰减）、高着色效率（373.8 cm²/C）以及在全太阳光谱范围内的高光学调制能力（在673 nm、1200 nm和1600 nm处调制范围分别为85%、70%和43%）。该智能窗具有明亮、凉爽、黑暗三种工作模式，可大幅度调节室内温度，在降低建筑能耗和提升居住舒适度方面具有巨大潜力。该研究以“一种用于高性能的双波段电致变色智能窗的局部解离的固态聚合物电解质”（A Local-dissociation Solid-statePolymer Electrolyte with Enhanced Li+Transport for High-performance Dual-band Electrochromic Smart Windows）（论文2）为题，于2024年12月4日发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
图2.高性能双波段电致变色智能窗的结构示意图及实物照片
第三，研究团队开发了一种高性能辐射制冷防晒霜。随着全球夏季高温天气的增多，尤其是2024年南亚地区超过50°C的极端高温，户外强烈的太阳辐射对人类健康构成了严重威胁。传统防晒产品通过吸收或反射紫外线（UV）来保护皮肤，但其对可见光和近红外光的高透射性，无法避免太阳辐射热对皮肤的加热，从而导致传统防晒霜在高温环境下难以维持人体表面温度的舒适性。为了应对这一问题，研究团队开发了一种具有高效辐射制冷性能的防晒霜。该防晒霜不仅能显著降低皮肤温度，还能有效地阻挡紫外线辐射。通过调整防晒霜在紫外光、可见光、近红外光和中红外光波段的透射、反射和发射特性，这种辐射冷却防晒霜（RC防晒霜）实现了高达90.19%的太阳光反射率和92.09%的中红外发射率，能够有效地将热量散发至外太空。该防晒霜显示出优异的制冷性能，在各种夏季户外场景中，涂有辐射制冷防晒霜的皮肤表面温度相比裸露皮肤降低4.2-6.0°C，相比传统防晒霜降低2.3-6.1°C。该工作以“高性能辐射制冷防晒霜”（A High-Performance Radiative Cooling Sunscreen）（论文3）为题，于2024年12月15日发表于《纳米快报》（Nano Letters）。
图3.辐射制冷防晒霜的概念设计、模型构建以及理论模拟
第四，研究团队开发了一种集成优异排汗性能、热传导性能和辐射制冷降温性能于一体的超凉爽织物。中国特殊的气候条件，如温带和亚热带地区夏季的高温湿热环境，对个体舒适性和能源使用提出了更高要求。辐射制冷是一种新兴的零能耗热管理技术，对高温天气户外场景中的人体降温具有重要意义。然而，现有的纺织品受限于固有降温功率低、疏水性高和导热性差等问题，尤其是炎热夏季伴随的排汗和散热问题，难以在实际应用中实现令人满意的降温效果。研究团队开发了一种集成优异排汗性能、热传导性能和辐射制冷降温性能于一体的超凉爽织物。该织物正面采用聚甲醛（POM）纳米纺织品作为选择性辐射制冷发射体，反面采用亲肤导热硅胶作为热传导体，并采用图案化的竹纱线（一种从竹子中提取的纤维素纤维，具有良好的亲水性）作为汗液传输通道。这种织物能够迅速（几秒钟内）从皮肤表面吸收汗水并传输至织物外侧，同时织物导热系数高达1.5 W/(m·K)，防止人体在高温户外出现过热现象，表现出优异的人体降温效果（比没有汗液时的超织物低10.9 ℃）。此外，在不排汗的情况下，所制备的超凉爽织物仍能够比商用棉织物实现9.6 ℃的降温，这项研究为设计具有实际应用价值的个人热管理纺织品提供了一种新的思路。该工作以“集成针织导汗和涂层导热的辐射制冷超织物”（Radiative Cooling Meta-Fabric Integrated with Knitting Perspiration-Wicking and Coating Heat Conduction）（论文4）为题，与2024年12月31日发表于《美国化学会·纳米》（ACS Nano）。
图4.导湿导热的辐射制冷超织物设计示意图
张如范为上述四篇论文的通讯作者，化工系2021级直博生赵思名、博士后吴学科（已出站）、2021级本科生郭震宇为论文1的共同第一作者，化工系2020级直博生李润为论文2的第一作者，化工系科研助理徐佳琪为论文3的第一作者，化工系访问学者刘瑞娜和赵思名为论文4的共同第一作者。相关研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华-丰田联合基金等的资助。
论文链接：
论文1：https://doi.org/10.1002/adfm.202419378
论文2：https://doi.org/10.1002/adfm.202419357
论文3：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04969
论文4：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12196
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：郭玲
