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宁波大学孙伟教授团队报道了一种通过“逆乳液”-“呼吸图”（Ie-BF）方法制备具有可调节孔隙结构的微孔聚合物涂层，以实现被动日间辐射制冷（PDRC）的策略。该涂层厚度仅为125μm时，太阳反射率高达85.4%，长波红外发射率为96.3%，在户外可实现-6.7°C的亚环境辐射冷却和约76Wmm-2的冷却功率。此外，通过附加碳黑层，该复合膜可通过溶剂后处理在冷却和加热模式之间轻松切换。研究成果以“Study of Manipulative Pore Formation upon Polymeric Coating for the Endowment of the Switchable Property between Passive Daytime Radiative Cooling and Heating”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》。拓展阅读见本公众号《Nano Energy》 FEP/IAI多层结构未来之窗：集辐射制冷、液滴发电与除霜功能于一体的智能节能窗(qq.com)*![]()
随着全球气候变暖，传统的冷却方式如空调消耗大量能源并排放温室气体，加剧环境问题，寻找高效、可持续的制冷技术成为科学界和工业界的共同课题。传统辐射制冷材料虽能在夜间实现较好的制冷效果，但在日间由于太阳辐射的强烈干扰，其效率大打折扣。而辐射冷却作为一种有吸引力的被动冷却策略，具有零能耗和无污染的特点。为实现被动日间辐射冷却，材料需要在太阳辐射波长（0.3-2.5μm）下具有极低的吸收率，在大气窗口（8-13μm）内具有高发射率。然而，对于聚合物基PDRC材料，获得超高的太阳反射率具有挑战性，且在多孔PDRC材料制备中，形态操纵的缺乏是一个问题。
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亮点一：动态微孔结构的创新制备方法
提出了一种创新的“逆乳液”-“呼吸图”（Ie-BF）方法，通过逆乳液与呼吸图形技术的结合，在聚合物涂层中动态形成三维多层微孔结构。这种方法能够灵活调节乳液的组成及环境条件，从而精确控制涂层的孔隙率和结构。实验证明，通过调节水油比和添加蛋白质乳化剂，涂层的孔隙率可从43.5%提升至85.9%，太阳能反射率也随之大幅提升。
亮点二：超薄涂层实现高效辐射制冷与智能切换功能
制备了仅125微米厚的超薄涂层，其太阳能反射率高达85.4%，红外发射率为96.3%，在室外测试中实现了显著的亚环境温度降低（6.7°C）和冷却功率（约76W/m²）。此外，通过在涂层上附加含碳黑颗粒的聚二甲基硅氧烷层，并利用溶剂后处理技术，实现了涂层在辐射制冷与加热模式之间的智能切换。这种切换不仅简单快捷，而且涂层表现出优异的柔韧性和可重复性。
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图1. Ie-BF涂层的制备过程、微观结构以及其在被动日间辐射制冷(PDRC)中的工作原理
图1通过示意图和SEM图像相结合的方式，全面展示了Ie-BF（逆乳液-呼吸图形）涂层的制备过程、其微孔结构的形成机制及其被动日间辐射制冷（PDRC）的工作原理。通过调节乳液的组成和环境条件，可以精确控制涂层的孔隙率和反射率，为实现高效的PDRC性能提供了坚实基础。这一研究结果不仅揭示了Ie-BF方法的独特优势，还为未来聚合物基PDRC材料的设计和优化提供了重要参考。逆乳液形成：首先将水和挥发性有机溶剂（如氯仿）混合形成逆乳液，其中水作为分散相，有机溶剂作为连续相。可加入乳化剂（如蛋白质）以稳定乳液。涂层沉积：将逆乳液浇铸在固体基底上，并在潮湿环境下干燥。随着溶剂蒸发，乳液中的水滴作为模板形成微孔结构。微孔结构形成：干燥过程中，由于乳液水滴和呼吸图形过程中形成的水滴（空气中的水蒸气在冷表面凝结成水滴）的共同作用，涂层表面和内部形成多层微孔结构。高太阳反射率：涂层的微孔结构能够有效散射太阳光，减少太阳辐射的吸收，从而实现高太阳反射率。高红外发射率：在8-13微米的大气窗口内，涂层具有高红外发射率，能够将吸收的热量以红外辐射的形式散发到太空中，从而实现被动制冷效果。通过调整乳液组成（如水油比和乳化剂种类）制备的PS涂层的横截面扫描电镜（SEM）图像。这些图像直观地展示了不同条件下涂层的微孔结构特征。水油比影响：当乳液中水含量较低（0.6%体积比）时，涂层内部形成随机分布的微孔，孔隙率较低（43.5%），反射率也较低（21%）。增加水含量至2.0%体积比时，微孔数量和尺寸增加，孔隙率提升至51%，反射率提升至24.7%。进一步添加蛋白质乳化剂（如牛血清白蛋白BSA）后，形成泡沫状多孔结构，孔隙率高达85.9%，反射率显著提升至63.5%。 乳化剂作用：蛋白质乳化剂在Ie-BF过程中起到关键作用，能够稳定乳液并促进微孔结构的均匀形成。![]()
图2. BSA浓度对PS涂层孔隙结构以及光学性能的影响
图2通过SEM图像和光学性能测试相结合的方式，系统地研究了BSA浓度对PS涂层微孔结构和光学性能的影响。研究结果表明，BSA在Ie-BF过程中起到了关键作用，通过调控其浓度可以精确控制涂层的孔隙率和光学性能。这为未来聚合物基PDRC材料的设计和优化提供了重要参考和依据。
2.1 图2(a)-(d)SEM图像分析：SEM图像展示了在不同BSA（牛血清白蛋白）浓度下，通过Ie-BF方法制备的PS涂层的表面和横截面形貌。BSA在Ie-BF过程中作为乳化剂，对微孔结构的形成起着关键作用。
无BSA添加（PC c0）：涂层内部孔隙分布稀疏，孔隙率较低，结构较为疏松。
低浓度BSA（PC c2）：随着BSA的加入，涂层内部孔隙增多，开始出现泡沫状多孔结构，孔隙率增加。
中等浓度BSA（PC c10）：孔隙变得更加细小且分布均匀，泡沫状结构更为明显，孔隙率进一步提高。
高浓度BSA（PC c40）：孔隙尺寸进一步减小，孔隙分布更加均匀，涂层结构致密，孔隙率达到较高水平。
2.2 图2(e)太阳反射率分析：不同BSA浓度下涂层的太阳反射率（R_vis-uv）。随着BSA浓度的增加，涂层的太阳反射率显著提高。无BSA添加的PC c0样品反射率仅为30.4%，而高BSA浓度的PC c40样品反射率则达到了73.3%。这表明BSA在促进微孔结构形成的同时，也显著提升了涂层的太阳散射能力。
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图2(f)长波红外发射率分析：不同BSA浓度下涂层在长波红外区域（8-13μm）的发射率。随着BSA浓度的增加，涂层的红外发射率也呈现上升趋势。尽管发射率的绝对差异不大，但都保持在较高水平（>92%），这表明涂层在大气窗口内具有优异的红外辐射散热性能。 要点总结：
BSA浓度对微孔结构的影响：BSA作为乳化剂，其浓度直接影响涂层的微孔结构和孔隙率。随着BSA浓度的增加，涂层内部孔隙数量增多、尺寸减小、分布更加均匀，孔隙率显著提高。
微孔结构与光学性能的关系：高孔隙率的涂层具有更强的太阳散射能力，从而提高了太阳反射率。同时，均匀的微孔结构有利于红外辐射的散出，保持较高的红外发射率。
光学性能的优化：通过调节BSA浓度等实验条件，可以精确控制涂层的微孔结构，进而优化其太阳反射率和红外发射率等光学性能，为实现高效的PDRC性能提供可能。
结构-性能关系：图2的数据和分析解析了孔隙结构参数（如孔径、孔隙率和孔隙分布）如何影响涂层的光学性质，为设计高性能PDRC材料提供了重要的指导。
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图3. 户外辐射冷却性能的测试装置和结果
图3通过一系列精心设计的实验装置和详细的实时测试数据，充分展示了Ie-BF涂层在室外环境下的优异辐射制冷性能。这些结果不仅证实了涂层的高效性和实用性，也为未来辐射制冷材料的研究和应用提供了有力支持。 3.1 图3(a)Ie-BF涂层照片：展示了制备好的独立式Ie-BF涂层的照片。涂层表面均匀且平整，具备良好的物理完整性，为后续的室外性能测试提供了可靠的基础。数字照片：展示了在实际测试环境中使用的Ie-BF涂层样品。涂层完全暴露于室外环境，未使用任何对流屏蔽装置，以确保测试结果的准确性和真实性。示意图：详细描绘了测试装置的配置，包括Ie-BF涂层样品、铜板加热器、温度传感器、热电偶、辐射屏蔽箱以及连接至计算机的数据采集系统。这样的设计允许实时监测并记录样品的温度、环境温度以及太阳辐照度。3.3 图3(c)光谱性能图：提供了125微米厚Ie-BF涂层的光谱反射率和发射率数据。太阳光谱反射率（黄色阴影区域）：在0.3-2.5微米波长范围内，涂层的太阳光谱反射率高达约85.4%，表明涂层对太阳光的吸收极少，从而有效减少了涂层在日间因太阳辐射而产生的热量。长波红外发射率（蓝色阴影区域）：在大气窗口（8-13微米）内，涂层的红外发射率接近96.3%，表明涂层能够有效地将吸收的热量以红外辐射的形式散发到外太空，实现被动辐射制冷。 3.4 图3(d)实时测试数据图：该图记录了在测试时间段（10月23日中午12:00至下午3:30）内，Ie-BF涂层的实时性能数据。太阳辐照度（I_solar）：显示了在测试期间太阳辐照度的实时变化，平均辐照度约为324W/m²。样品温度与环境温度：涂层的温度明显低于环境温度，表明涂层实现了有效的辐射制冷效果。在测试期间，涂层温度与环境温度之间的温差（ΔT）达到了约6.7°C。冷却功率（P_cooling）：在太阳辐照度峰值时段（下午14:00至15:30），涂层实现了约76W/m²的冷却功率，进一步证实了涂层的高效辐射制冷性能。高效的辐射冷却性能：图4中的数据显示，Ie-BF涂层在实际户外条件下表现出了优异的辐射冷却性能，实现了6.7°C的亚环境温度降低和约76W/m²的冷却功率，证明了其在实际应用中的潜力。精确的实验设计：实验装置的设计允许在不受其他环境因素干扰的情况下，准确测量材料的辐射冷却性能，确保了测试结果的可靠性和有效性。光谱性能的优化：涂层的光谱反射率和发射率的优化是实现高效辐射冷却的关键。图4c中的数据展示了涂层在太阳光谱范围内的高反射率和在大气窗口内的高发射率，这是其优异冷却性能的基础。 ![]()
图4. Ie-BF涂层及PS/CBPs-PDMS复合薄膜的孔隙形成与切换性能展示
图4展示通过溶剂后处理实现多孔聚合物涂层的可逆孔隙形成和擦除，以及基于这种特性构建的复合材料，突出了材料的动态调控能力和多功能性。这些特性为开发新型智能温控材料提供了重要的设计思路和实验依据。溶剂诱导的孔隙形成（stBF）：图4a和4b展示了聚苯乙烯（PS）薄膜在溶剂处理前后的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。经过溶剂处理后，原本无孔的PS薄膜表面形成了多孔结构，这是通过溶剂诱导的呼吸图（stBF）方法实现的。孔隙状态的切换：图4c展示了Ie-BF薄膜在多孔（冷却）和无孔（透明）状态下的外观对比。这种状态切换是通过溶剂后处理实现的，为材料的多功能性提供了可能。 PS/CBPs-PDMS复合膜：图4d展示了在PS涂层上附加碳黑颗粒（CBPs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）层后形成的复合膜。这种复合膜能够在多孔和无孔状态之间切换，实现冷却和加热模式的转换。材料的柔韧性：图4e展示了通过镊子弯曲的自由悬挂复合膜的照片，显示了材料的柔韧性和可加工性。要点总结：
动态孔隙结构调控：图4a和4b中的SEM图像直观地展示了通过溶剂处理实现的孔隙结构的动态调控，这是实现材料功能切换的关键技术。
多功能复合材料：图4d展示了通过在PS涂层上附加CBPs-PDMS层构建的复合膜，这种材料能够在冷却和加热模式之间切换，拓宽了其应用范围。
材料的实际应用潜力：图4c和4e中的照片展示了材料在实际应用中的潜力，包括其在不同状态下的外观和柔韧性，这对于实际部署和使用至关重要。
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图5. PS/CBPs-PDMS复合膜在实际应用中的可切换冷却和加热性能
图5通过一系列精心设计的实验和数据记录，全面展示了PS/CBPs-PDMS复合薄膜在按需冷却与加热方面的卓越性能。复合薄膜不仅能够快速响应溶剂处理，实现孔隙结构的动态调整，还能在两种模式下保持高效的工作状态。这一研究成果不仅为辐射制冷和太阳加热技术提供了新的思路，也为未来智能建筑材料和可穿戴设备等领域的应用奠定了坚实基础。 溶剂处理引起的状态变化：图5a展示了复合膜在四氢呋喃（THF）溶剂处理后不同时间的状态变化。通过局部涂抹溶剂，可以在多孔（冷却）和无孔（加热）状态之间切换，实现材料表面颜色的明显变化。冷却与加热模式的切换：图5b和5c分别展示了复合膜在多孔状态和无孔状态下的户外辐射冷却和加热性能测试结果。数据显示，在多孔状态下，材料实现了显著的亚环境温度降低（ΔT约7.1°C），而在无孔状态下，材料实现了有效的温度升高（ΔT约12.3°C）。要点总结：
快速切换能力：通过简单的溶剂处理，复合薄膜能够在短时间内实现从冷却模式到加热模式的切换，展示了极高的灵活性和实用性。
高效的制冷与加热性能：无论是在多孔状态还是无孔状态，复合薄膜都展现出了优异的性能。在冷却模式下，能够有效降低样品温度；在加热模式下，则能显著提高样品温度。
直观的监测与验证：通过实时记录的数据和照片，直观地展示了复合薄膜在不同模式下的工作效果，为性能验证提供了有力支持。
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采用Ie-BF方法制备了具有不对称多层多孔结构的聚苯乙烯（PS）涂层，通过调节乳液组成（水与溶剂的比例、引入牛血清白蛋白（BSA）和具有极性端基的PS（PS-COOH））和环境湿度等因素，成功操纵了涂层的孔隙形态，尤其是在体层中。孔隙率可在43.5%至88%之间动态调节，相应涂层的太阳反射率在21-91%范围内广泛调节，而所有Ie-BF涂层的长波红外发射率均高于92%。125μm厚的Ie-BF涂层具有85.4%的高太阳反射率和96.3%的长波红外发射率，在户外实现了6.7°C的亚环境辐射冷却和约76Wmm-2的冷却功率。 基于Ie-BF方法的自组装软结构模板的动态特性，通过溶剂处理BF（stBF）方法实现原位孔隙形成和擦除，使Ie-BF涂层具有在辐射冷却和加热之间切换的可切换特性。将含有碳黑颗粒（CBPs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）的附加层附着到PS涂层上，形成具有双功能特性的柔性自立复合膜，当顶部PS层处于多孔和无孔状态时，该复合膜可分别在冷却和加热状态下工作。![]()
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https://doi.org/10.1021/acsami.4c09138
韩国浦项科技大学《Nature Communications》：Integrated triboelectric nanogenerator and radiative cooler for all-weather transparent glass surfaces
香港城市大学《Materials Today Energy》：Beyond the static: dynamic radiative cooling materials and applications
东华大学、江南大学《Nano-Micro Letters》：Highly Porous Yet Transparent Mechanically Flexible Aerogels Realizing Solar-Thermal Regulatory Cooling
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