气候变化主要是由温室气体排放引起的，而温室气体排放与不断增长的全球能源需求密切相关。据国际能源署统计，全球大约25%的能源被用于住宅或商业建筑的供暖或制冷。因此，开发高效且具有成本效益的被动热管理系统对于实现可持续碳中和目标极为重要。被动式日间辐射冷却（PDRC）是一种零能耗和零碳冷却技术，通过反射太阳光并利用大气投射窗口（8–13 μm）向外太空发射热流，有望大幅减少对传统压缩式冷却系统（如空调）的依赖。由于向外散出的热量超过了吸收的太阳辐射，即使在阳光直射下，表面温度也能保持在环境温度以下。
目前的PDRC设计，包括多层光子结构，超材料，多孔聚合物，白色冷却屋顶涂层以及仿生结构材料，都已在阳光直射下证明了有效的日间辐射冷却能力。然而，在实际应用中，大多数设计都会面临成本、可扩展性和适用性方面的挑战。此外，一个重要的问题是在寒冷的夜晚或冬季，可能会出现过度冷却的风险，这会加剧供暖成本和个人热不适。特别在高纬度地区，建议将冷却和制热功能整合成一个综合的光热调节系统。动态辐射热调节技术能够根据不断变化的环境需求，在辐射冷却和制热模式之间进行切换。
开发可调节辐射冷却系统主要集中在精确设计的热致变色或电致变色材料上，这些材料在按需转换模式和可编程热管理方面显示出巨大的潜力。然而，之前报道的动态辐射材料存在一些局限，如制造成本高、工艺要求严格和光谱调节效率低，特别是在太阳光谱范围内。理论上，在炎热天气下达到最佳辐射冷却需要太阳吸收率（0.3–2.5 μm）为0（即太阳反射率为1.0），中红外（MIR）发射率（2.5–25 μm）为1.0。相反，当材料在寒冷的室外环境中表现出1.0的太阳吸收率（太阳反射率为0）和0的MIR发射率时，理想的加热模式预计会出现。由于太阳辐射强度（约1000 W/m²）远高于典型的热辐射冷却功率（约100 W/m²），提高太阳反射率所带来的冷却能力比同等提高MIR发射率的效果更为显著。
近期，上海理工大学张轶楠/王彤团队设计并制备了一种用于辐射冷却和太阳能加热的超白与超黑新型非对称涂层，这种独特的设计非常适合于全年不同季节的辐射热调节需求。
该涂层顶层由多孔聚甲基丙烯酸甲酯和空心二氧化硅微球复合材料（PMMA/h-SiO2）组成，用于高效辐射冷却；底层由碳纳米管和炭黑复合材料（CNTs/CB）组成，专为太阳能加热而定制。超白色顶层涂层太阳反射率为0.98，中红外发射率为0.97，在冷却模式下，可实现7.6°C的日间亚环境冷却，最大降温度达11.2°C，理论净冷却功率为98.8 W/m2。
相反，超黑色底层涂层太阳吸收率为0.96，超高可见光吸收率为0.985，中红外发射率为0.97，在加热模式下，可实现高于日间环境温度12.8℃的加热，理论净加热功率为745 W/m2。
与市售白漆相比，该非对称涂层每年可分别减少7.39%和1%的住宅或商业建筑制冷和供暖能耗。因此，本研究开发的超白和超黑非对称涂层有望解决全季节温度调节的长期难题，为节约能源和减少全球二氧化碳排放提供巨大潜力/新的可能性。
用于全季节温度调节的
超白和超黑非对称涂层的概念设计
(a)理想太阳吸收率和MIR发射率光谱；(b, c)冷却模式和加热模式下超白和超黑非对称涂层示意图。
超白和超黑非对称涂层的全年建筑节能模拟
(a,b)10个典型城市商业和住宅建筑的能源消耗；(c,d)分别预测10个典型城市制冷模式和供暖模式下模拟建筑的全球CO2年减排量；(e,f)分别与商用白漆在制冷模式和供暖模式下的全球节能潜力图对比。
数据来源与出处
相关研究成果发表在最新一期的《Progress in Organic Coatings》上。
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