研究背景

人类活动与科技进步正持续加剧全球变暖趋势，预计未来十年这一挑战仍会加剧。在此背景下，寻求高效的降温解决方案已成为全球可持续发展领域的研究热点。传统降温技术(如暖通空调系统)不仅因高耗电量导致温室气体排放加剧，其使用的制冷剂更会直接加剧全球变暖效应。因此，开发创新的绿色降温技术迫在眉睫。日间辐射降温作为一种零能耗的被动降温技术，因其环境友好特性而受到广泛关注。日间辐射降温材料具有特定的光学特性：(1)在太阳光谱范围(0.25-2.5 μm)具有高反射率，(2)同时在大气透射窗口范围(8-13 μm)具备高发射率。与传统的宽带发射辐射降温材料不同，光谱选择性日间辐射降温(SSDRC)材料主要在大气透明窗口范围内具备选择性发射。这种独特的光学特性有效抑制了大气透明窗口之外的热辐射吸收，从而显著提升了材料的净冷却功率。

Recent Advances in Spectrally Selective Daytime Radiative Cooling Materials

An-Quan Xie, Hui Qiu, Wangkai Jiang, Yu Wang, Shichao Niu, Ke-Qin Zhang*, Ghim Wei Ho*, and Xiao-Qiao Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 264

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01771-8

本文亮点

1. 本综述全面介绍了光谱选择性日间辐射降温(SSDRC)材料的最新进展，重点关注其基本特性，主要涉及其结构和特性。

2. 系统地介绍了几种典型SSDRC材料的制备原理和相应的作用机制。

3. 基于最新研究，重点介绍了SSDRC材料在个人热管理、户外建筑降温和能量收集方面的创新应用，同时讨论了日间辐射降温技术未来发展的挑战和前景。

内容简介

苏州大学汪晓巧教授、张克勤教授以及新加坡国立大学Ghim Wei Ho教授等从SSDRC材料的基本原理出发，系统阐述了其分子结构特征、微纳结构设计、光学性能调控及热力学机制；进而详细分析了纤维材料、薄膜和颗粒涂层三类典型SSDRC材料的设计策略与制备工艺，着重探讨了各类材料的降温机理与性能差异。在应用层面，本文全面总结了SSDRC技术在个人热管理、建筑节能和能量收集等领域的创新应用。最后，针对当前研究存在的挑战和发展前景进行了深入探讨，为高性能SSDRC材料的研发提供理论指导和技术参考。

图文导读

I 辐射降温技术的材料和结构发展

图1展示了辐射降温技术发展的总体路线图。辐射降温技术从20世纪初的夜间制冷理论逐步发展为日间辐射降温技术，其核心突破在于光谱选择性日间辐射降温(SSDRC)材料的创新设计。通过开发具有选择性中红外发射特性的聚合物纳米纤维、多孔陶瓷等材料，结合仿生结构优化太阳光反射率(最高达99.6%)，SSDRC技术实现了高效被动降温。近年来该技术已拓展至热电、智能电子皮肤等新兴领域，特别是自供电可穿戴设备的集成应用展现了巨大潜力。未来研究将着重解决材料规模化制备、动态热管理调控等关键问题，推动这一零能耗热管理技术的实际应用。

图1. 辐射降温技术的材料和结构发展。

II SSDRC材料的基本特性

2.1 SSDRC 材料的分子结构和光学特性

与宽带发射的日间辐射降温材料相比，SSDRC材料的显著特性在于其在中红外波长范围内的选择性发射，其光谱选择性主要归因于材料对不同波长范围内光的光学控制，而这主要由SSDRC材料的分子和微/纳米结构决定。红外吸收峰的位置与材料内化学键或官能团的振动和旋转跃迁有着内在联系。图2a列出了与各种化学键振动模式相对应的吸收峰的波长分布。化学键的弯曲和拉伸振动通常发生在400-4000 cm⁻1(2.5-25 μm)范围内。在大气透明窗口(ATW)范围内观察到强烈的分子振动，例如Si-O-Si(8.3-10 μm)、C-F(7.4-10 μm)、S=O(9.4-9.8 μm)、C-N(8.2-9.8 μm)、C-H(11.1-14.3 μm)和C–O(7.6-9.5 μm)等。这些振动与红外波产生共振，导致显著的吸收/发射。与非ATW区域以外的其他化学键或功能团(例如N-H、O-H、C=C、C=N、酰胺、羧基和苯环)相关的分子振动，在非ATW波长范围内具有红外辐射。这些特征分子结构不适用于SSDRC。此外，π键和共轭π键对太阳光具有很强的吸收性，这会导致太阳加热，并对辐射降温效应产生不利影响。

2.2 SSDRC材料的光学特性

讨论了几种辐射降温材料，包括太阳光反射材料、中红外透明材料、中红外发射材料和SSDRC材料，并比较了它们的光学特性(图2b)。首先，高太阳光反射材料凭借其优异的太阳光谱反射特性，在户外环境下表现出显著的降温效果，但其在室内或无光照条件下的冷却效能显著受限。其次，中红外透明材料通过促进人体热辐射向环境传递的机制，在室内或弱光场景中展现出独特优势。第三类宽带中红外发射材料通常与高反射材料复合使用，其通过宽带发射特性，可有效提升室外环境的综合冷却性能。最具特色的是SSDRC材料，其创新性地将高太阳反射率与大气窗口选择性发射特性相耦合。这种协同设计不仅实现了更高的太阳光反射效率，更重要的是通过抑制非大气透明窗口范围的热辐射吸收，将不必要的热负荷降至最低。

图2. SSDRC材料的分子结构和光学特性。

2.3 SSDRC 材料的热力学分析

SSDRC材料在大气透明窗口区域同时具备高太阳反射率和选择性中红外发射特性。为定量评估其降温性能优势，我们通过理论计算对比了SSDRC材料与非选择性材料的降温功率差异。如图3b所示，黑体在3-25 μm波长范围内呈现发射率为100%的宽带发射特征，而理想SSDRC材料仅在8-13 μm范围内具有发射特性，在该范围之外的发射率趋近于零。基于净降温功率公式，计算了两种材料在不同温度下的降温功率Pcool。计算中设定环境温度Tatm为20 °C，太阳吸收功率Psun为零，且假设材料与环境之间完全热绝缘(h=0)。图3c的计算结果表明，当材料温度显著低于环境温度时，理想SSDRC材料展现出远超黑体的降温能力，充分体现了其优异的被动降温性能。图中阴影区域表征了材料的有效辐射降温范围，可以清晰地观察到：与黑体相比，SSDRC材料在更宽的温度区间内都能维持显著的辐射降温效果。这一特性使其在实际应用中具有明显的性能优势。

图3. 理想SSDRC材料的冷却功率计算。

III SSDRC材料的设计与制备

SSDRC材料的设计与制备主要基于中红外(MIR)光谱选择性材料，通过优化其结构实现高太阳反射率，从而获得全光谱范围的选择性辐射特性。本节重点讨论三类典型的SSDRC材料体系：纤维材料、薄膜材料和颗粒涂层材料，这些材料体系代表了辐射降温领域经典且成熟的研究方向。除上述三类主要材料外，表3系统总结了包括荧光材料、水凝胶和生物质材料在内的新型SSDRC材料体系。该表全面总结了它们的独特性能、制备方法和技术创新，更为辐射降温技术的创新发展提供了新的研究思路。

3.1 SSDRC纳米纤维材料

根据米氏理论，纳米纤维在整个太阳光谱中的散射效率与直径的关系表明，直径在500至1200 nm范围内的纳米纤维可以有效散射阳光(尤其是在0.3至1.2 μm波长范围内，该波长范围覆盖了大部分太阳波长范围)。目前已报道的 SSDRC 纳米纤维材料包括聚合物纳米纤维(PEO、PVDF-HFP、PLA、PMP 等)(图4a)、陶瓷纳米纤维(SiO₂、Al₂O₃等)和混合纳米纤维。关键挑战在于平衡高光散射效率与机械稳定性和环境耐受性。例如，虽然Zhu等人证明PEO纳米纤维膜(图4b)通过以800 nm为中心的宽直径分布实现了96.3％的太阳反射率，但这种依赖于C-C/C-O键介导的选择性吸收的设计可能在紫外线照射下面临长期化学降解。Zhang等人通过气喷纺丝和退火在SiO₂纳米纤维薄膜中实现了94%的太阳反射率和94%的ATW发射率(图4c)。该方法对高温煅烧的依赖引发了对能耗和可扩展性的担忧。同样，Sun等人通过将Al₂O₃掺入电纺纳米纤维中来解决二氧化硅的脆性问题，形成多层网络，增强了机械完整性，并在5 °C的亚环境冷却下实现了95%的太阳反射率(图4d)。然而，人们对机械增强和光学性能之间的权衡仍然知之甚少。增加氧化铝含量可能会意外降低孔隙率，从而降低辐射冷却效率。混合聚合物/陶瓷体系，如PVDF-HFP/SiO₂和聚醚砜(PES)/Al₂O₃纳米纤维(图4e和4f)，试图兼顾柔韧性和耐久性。PVDF-HFP/SiO₂薄膜利用分子振动和声子极化效应实现了95%的中红外发射率，但其在周期性热应力下的长期稳定性仍未得到验证。

图4. SSDRC纳米纤维材料。

3.2 SSDRC膜材料

多孔膜可分为不同类型，例如随机多孔膜、有序多孔膜和梯度多孔膜。本节我们将讨论这些多孔结构的制备及其对SSDRC 材料性能的影响。随机多孔膜的孔径从50 nm到5 μm不等，能够有效地散射整个太阳光谱范围内的光。相分离是制备随机多孔膜最简单、最有效的方法之一。在特定条件下，例如温度变化、溶剂蒸发或添加非溶剂，聚合物溶液会发生相分离，形成富聚合物相和富溶剂相。这些相最终凝固成多孔结构。此外，相分离过程中富聚合物相的形成和生长是随机的，导致孔的分布和大小也是随机的。例如，Yang等人报道了这种相分离方法。通过相转化法制备了随机多孔PVDF-HFP膜(图5a-ii)。将由PVDF-HFP、丙酮(溶剂)和水(非溶剂)组成的前驱体溶液涂覆在基底上，并在空气中自然干燥。挥发性丙酮的快速蒸发导致PVDF-HFP与水发生相分离，从而形成随机多孔PVDF-HFP膜。所得PVDF-HFP多孔膜的太阳反射率高达96%，ATW发射率为97%，在太阳强度为750 W m⁻2下平均冷却功率约为96 W m⁻2。此外，模仿生物结构进行体温调节的仿生材料已显示出辐射冷却的潜力。许多自然生物，包括银蚁、蚕茧、天牛、荷叶、白甲虫和蝉，都表现出卓越的光子结构来进行热调节。例如，据观察，嗜热昆虫蝉在夏季会利用具有纳米光子多孔心形结构的亮金色微刺进行辐射降温。受这种高效生物原型的启发，Fan等人报道了一种基于嵌入氧化铝(TPU/Al₂O₃)纳米颗粒的多孔热塑性聚氨酯的仿生多孔膜。TPU/Al₂O₃多孔膜具有微尺度孔隙和表面隆起，模拟了蝉微刺的主要特征。此外，TPU在红外范围内具有多个消光峰，包括CO(1732 cm⁻1)、CN(1533、1311和1223 cm⁻1)和C-O-C(1174和1074 cm⁻1)，可用于增强MIR发射。有意嵌入Al₂O₃进一步提高了消光效率。TPU/Al₂O₃膜的太阳反射率高达97.6%，平均ATW发射率为95.5%。TPU/Al₂O₃多孔膜的冷却功率为78 W m⁻2，中午时分可实现6.6 °C的最大亚环境冷却。受到天牛毛发结构的启发，Zhu等人开发了一种光子薄膜，由周期性排列的微金字塔聚二甲基硅氧烷(PDMS)和随机分布的氧化铝陶瓷颗粒组成。这种独特的金字塔结构显著提高了太阳反射率，最高可达95%，制冷功率达到90.8 W m⁻2。 这项研究为仿生光子冷却材料的可扩展生产提供了宝贵的生物启发见解。

有序多孔膜的特点是孔隙呈周期性排列，类似于光子晶体(图5b-i)。周期性结构可以通过布拉格衍射选择性地反射特定波长范围内的光。尽管它们在宽光谱范围内反射太阳光的效率较低，但它们可以有效地调节ATW范围内的吸收率。通过协同设计有序微孔和无序纳米孔结构，可以同时实现对太阳光的高反射率和ATW范围内的高发射率。有序微孔和无序纳米孔结构可以通过模板法、光刻法和3D打印技术制备。Wu等人通过牺牲模板法制备了一种具有有序微孔和随机纳米孔的反蛋白石PMMA(IO-PMMA)膜(图5b-ii)。PMMA在ATW波段内呈现多个消光峰，赋予IO-PMMA膜光谱选择性发射特性。周期性凹入结构和分级纳/微米级孔隙有助于提高散射效率，并通过允许不同角度的多次漫反射来增加红外发射。凭借这些特性，IO-PMMA膜实现了95%的高太阳反射率和98%的ATW发射率，在930 W m⁻2的太阳辐射下可实现5.5 °C的亚环境冷却。分级纳/微米级孔隙的周期性排列可以最大化表面积和单位散射次数，从而提高整体散射效率。

梯度多孔膜的孔径和孔隙率沿厚度方向呈逐渐变化趋势(图5c-i)。梯度多孔膜的孔径范围从纳米到微米。当入射光遇到空气和多孔膜之间的界面时，微孔/纳米孔径的梯度会选择性地与太阳光谱相互作用，包括紫外线、可见光和近红外波长。因此，梯度多孔结构可以精确控制阳光反射的波长和方向。Mao等人通过逐步冷冻铸造技术，利用醋酸纤维素基质制备了梯度结构多孔超材料(GSPM)(图5c-ii)。梯度多孔结构的排列使红外光子的反射最小化，从而由于折射率的逐渐变化而增强了中红外发射。三种多孔超材料：向下型梯度多孔材料(D-GSPM)、向上型梯度多孔材料(U-GSPM)和随机多孔材料(RPM)，其平均辐射热发射率(ATW)分别为96.9%、97.6%和90.3%。模拟电场分布，比较这三种多孔超材料在10 μm代表波长下的中红外吸收/发射能力。吸收场光谱图显示，GSPM的电场吸收强度高于RPM，这表明梯度多孔结构增强了对入射光的吸收能力，从而改善了中红外热发射。

图5. SSDRC膜材料。

3.3 SSDRC颗粒涂层

通过优化粒子的尺寸和排列可以有效地调节粒子涂层的太阳反射率，这一原理已在高性能辐射降温材料的开发中得到广泛探索。最近的进展证明了各种粒子系统的潜力，包括陶瓷粒子、陶瓷/聚合物粒子和金属/聚合物粒子。其中，TiO₂、SiO₂、Al₂O₃和ZnO等陶瓷粒子因其优异的化学稳定性和丰富的红外活性振动模式(如Si-O、Al-O、Zn-O)而脱颖而出。这些振动模式发生在大气透射窗口内，可实现光谱选择性辐射降温，使陶瓷粒子成为此类应用的有希望的候选材料。尤其是Al₂O₃颗粒，它表现出优异的性能，包括高熔点(2072 °C)、折射率(1.7)和带隙(7.2 eV)，以及优异的热力学和化学稳定性。这些特性使其成为冷却玻璃材料中抗烧结剂的理想选择。例如，Hu等人通过简单的两步法开发了一种冷却玻璃。在该过程中，将廉价的玻璃和Al₂O₃颗粒混合以制备浆料，然后对玻璃进行热退火以产生冷却涂层(图6a)。该方法利用ATW区域内玻璃颗粒的红外活性振动模式，这些颗粒充当非常规粘合剂，形成坚固的多孔框架(尺寸约为12毫米)，通过声子-极化子共振增强选择性ATW发射。加入Al₂O₃颗粒(平均粒径为 0.5 毫米)通过米氏散射进一步提高了太阳反射率。所得玻璃/Al₂O₃复合涂层的太阳反射率达到96% 以上，ATW发射率约为95%，即使浸水60天后冷却性能也不会下降。这凸显了该材料卓越的防潮性能和长期户外应用的潜力。虽然微纳米陶瓷材料因其耐用性、高硬度和选择性发射率而广泛应用于SSDRC，但它们固有的粘附性不足和机械强度低对户外使用构成了重大挑战。为了解决这些限制，研究人员越来越关注将陶瓷颗粒与聚合物基质相结合的混合体系。这些复合材料不仅提高了冷却效率，而且还提高了机械强度和粘附性。例如，Tso等人。开发了一种辐射冷却陶瓷，由聚醚砜(PES)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和Al₂O₃组成(图6b)。该冷却陶瓷具有独特的致密外层和众多内部空隙。它们是通过相转化和烧结工艺的组合制备的。在相转化过程中，生成了富含聚合物的膜，形成各向异性的多孔网络。随后的高温烧结促进了Al₂O₃颗粒的结合，从而形成了精确保存的多孔结构。由此产生的多孔Al₂O₃网络表现出近乎完美的99.6%太阳反射率和97%的高ATW发射率，这归因于Al-O化学键的振动模式(9.5-12.1 μm)。这种材料在室外表现出了持续的亚环境制冷效果，中午的制冷功率超过130 W m⁻2，展示了其实际应用的潜力。除了陶瓷基材料外，金属部件也因其高太阳反射率而被探索。例如，Chen等人开发了银镀胶体光子晶体(Ag/CPC)超材料涂层，它表现出对太阳辐射的高度选择性反射(图6c)[148]。Ag/CPC涂层的平均太阳反射率为73%，ATW发射率为91%，理论制冷功率为30.4 W m⁻2。值得注意的是，这些涂层可以应用于建筑墙壁，提供鲜艳的蓝色，扩大其在美观的辐射冷却涂料中的潜在用途。

图6. SSDRC 颗粒涂层。

IV SSDRC材料的应用

本节将探讨SSDRC材料的最新进展，重点介绍其在个人热管理、户外建筑降温以及能量收集方面的应用。

4.1 个人热管理

近年来，我们看到了个人热管理(PTM)方面的进步，其重点是调节我们周围环境、衣物和皮肤的热量传递。SSRDC材料已被纳入PTM应用的冷却纺织品中。PTM中SSRDC织物的关键考虑因素包括炎热正午条件下的冷却性能、穿着舒适度和色彩美观度。Tao等人报道了一种多层超材料织物。如图7a所示，一名志愿者穿着超材料织物背心在阳光直射下躺卧一小时，并实时监测背心和志愿者的热性能。与穿着普通棉背心相比，使用超材料织物背心可使体温明显降低约4 °C。在半小时的测试中，超材料织物背心表面逐渐出现明显的温差，表现出长期的冷却稳定性。此外，可见颜色的可调性是提高SSDRC纺织品市场化程度的另一个关键因素。Cui等人报道了一种利用无机纳米颗粒作为着色成分来生产色彩鲜艳的红外透明纺织品的策略(图7b)。制成的纺织品不仅显示出约80%的高红外透明度和1.6-1.8 °C的被动冷却效果，而且还表现出强烈的可见颜色和良好的洗涤稳定性。然而，这些红外透明彩色纺织品在室内被动冷却中表现出色，但不适合室外辐射冷却应用。Rho等人介绍了一种彩色日间辐射冷却器，该冷却器实现了高近红外反射率和高大气窗口发射率，同时能够通过金属-绝缘体-金属结构中的法布里-珀罗干涉产生减色原色。这种创新设计为需要有效辐射冷却和美观色彩定制的应用提供了一种有前景的解决方案。我们研究小组制作了由SiO₂纳米纤维薄膜和膨体聚四氟乙烯薄膜组成的辐射冷却纳米织物(图7c)。纳米织物具有分层结构，表现出高太阳反射率(94%)和高大气温度发射率(94%)。为了评估纳米织物的实际冷却效果，我们制作了一件定制背心，其中结合了商用冷却织物(Coolmax织物、棉织物)和纳米织物。一名志愿者在阳光直射下穿着背心30分钟，红外成像仪监测背心的温度分布。测量纳米织物、棉织物和Coolmax的温度曲线表明，这三个样品的表面温度在5分钟后稳定下来。结果表明纳米织物具有引发凉爽感的能力。因此，一种可行的方法是将红外透明彩色纺织品与辐射冷却纳米织物相结合，从而实现户外辐射冷却与色彩美学的协同作用。此外，在实际应用中应考虑SSDRC织物的可穿性能。图7d显示了聚甲醛(POM)纳米纤维的透气性和防污性能。POM纳米纤维的透气率达到34 cm3 s⁻1 cm⁻2，优于PE和PVDF膜。此外，POM纳米纤维表现出较高的水蒸气透过率(WVTR)(0.011 g cm⁻2 h⁻1)，与商业棉花(0.012 g cm⁻2 h⁻1)相似。还评估了防潮性能，这对于在潮湿条件下保持纺织品干燥和清洁至关重要。POM纳米纤维的水接触角测量为138°，30分钟后仍保持在122°，明显高于其他纺织品，表明其优异的防水和防潮性能。然而，与传统织物相比，无纺布材料的吸湿性和透湿性仍然存在挑战，使其不适合长期穿着。可以通过加入柔软剂来增强无纺布的柔韧性并通过化学改性提高其吸湿性来解决这些问题。

图7. SSDRC材料在个人热管理中的应用。

4.2 室外建筑降温

由于全球变暖和能源消耗不断增加导致全球气温上升，对居住环境进行降温的需求日益迫切。在此背景下，SSDRC陶瓷颗粒，如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂及其复合材料，已成为开发辐射冷却涂料的有希望的候选材料。这些材料在建筑物上大规模应用具有巨大潜力，为减少制冷电力消耗和减轻城市热岛效应提供了途径(图8a)。Tso等人报道了由Al₂O₃/PES/NMP颗粒涂层组成的蜂窝陶瓷材料。他们的研究不仅展示了该材料的冷却性能，还探索了其在现实建筑场景中的实际应用。例如，建造了两栋相同的模型房屋，一栋的屋顶采用Al₂O₃/PES/NMP陶瓷，另一栋的屋顶采用商用瓷砖(图8b)。在为期四天的测试中，陶瓷涂层屋顶的温度比瓷砖屋顶低5 °C，突显了其在减少热量吸收方面的有效性(图8c)。这一发现强调了SSDRC陶瓷在显著改善建筑物热舒适度方面的潜力，特别是在制冷需求高的地区。为了量化工程冷却陶瓷的节能潜力，研究人员通过在夏季运行模型房屋中的空调机组进行了额外评估。实时监测了三个时段的空调用电量，设定温度分别为25、23和20 °C(图8d)。这些发现不仅验证了该材料的冷却效率，还表明了其对全球节能工作的贡献潜力。Al₂O₃/PES/NMP陶瓷模型房屋的耗电量更低，分别节能26.8%、22.6%和19.6%。研究人员还模拟了全尺寸建筑的能耗，以评估Al₂O₃/PES/NMP陶瓷墙体和屋顶的全球节能潜力。特别是在南美洲、北非和南亚等极热地区，室内空调年节能超过10%，达到每年25 GJ(图8e)。SSDRC建筑涂料可以显著降低建筑物外表面温度，从而减少空调产生的大量电力消耗。此外，辐射冷却粒子应用于建筑物表面时，通常会遇到材料不匹配的问题，尤其是在混凝土等水泥基材料上。这种不匹配会导致界面分离，从而限制其在被动建筑冷却中的实际应用。为了解决这个问题，Cui等人提出了一种颗粒-固体过渡结构。他们通过将BaSO₄纳米颗粒焊接到水泥基固体基材上来实现这一目标。在该设计中，BaSO₄纳米颗粒部分暴露，而不是完全嵌入基质中，从而实现辐射冷却。这种方法避免了均匀复合材料中水泥基基材通常引起的屏蔽效应。同时，固体基材与水泥基建筑表面具有相同的材料特性，消除了传统辐射冷却涂层、膜或块体材料中常见的界面不匹配问题。 这种设计将有效的辐射冷却与增强的建筑应用兼容性相结合。此外，将废塑料转化为具有辐射冷却特性的建筑冷却材料也引起了广泛关注。Zhang等提出通过闭环溶剂萃取策略将丰富的废弃聚苯乙烯泡沫快速转化为冷却涂层，以满足建造冷却围护结构的规模化和清洁生产要求。结果表明，该涂层具有随机多孔结构，因此可反射97%的太阳辐射并发射 94%的热辐射。即使在1500 W m⁻2的太阳辐射下，也能实现约8 °C的净温度和7.5 °C/1000 cm3的建筑空间冷却能力。这项工作将有效启发大规模、低环境影响的建筑冷却围护结构的开发。目前，实际应用中仍然存在许多挑战，其中之一就是SSDRC建筑冷却涂层的耐久性问题。这些涂层会长时间暴露在户外环境中，例如雨水、酸性和碱性环境以及紫外线辐射，所有这些都会显著影响其稳定性。其次，在实际应用中，SSDRC建筑冷却涂层有望提供冷却/加热选择性，在炎热天气有效散热，在寒冷天气提供隔热。在可持续建筑的追求中，能够动态调节冷却和加热的智能建筑涂层已成为备受期待的创新产品。

图8. SSDRC材料在室外建筑降温中的应用。

4.3 SSDRC材料在能量收集中的应用

Yan等人通过将热电离子凝胶(THG-ionogel)与DRC材料相结合开发了一种热电池装置。该装置由辐射冷却层(DRCL)、THG-ionogel和用作辐射加热层的黑色封装层(BEL)组成(图9a)。通过户外实时测试，研究了不同天气条件下热电的产生情况。如图9a-ii 所示，在晴天，热电池的DRCL表现出平均低于环境温度ΔT为8.3 °C，产生的平均电压为0.61 V。而在阴天(图9a-iii)，由于雾和霾限制了向大气中的辐射热传递，平均ΔT降至1.5 °C，相应的输出电压达到0.28 V。这些结果凸显了热电池设备对不同环境条件的适应性。辐射冷却与柔性热电系统的集成代表了另一个有前景的方向，特别是对于可穿戴技术的应用。因此，我们的研究小组提出了一种简单的方法，涉及在传统纺织品上丝网印刷基于大规模碳纳米管(CNT)的热电阵列。辐射调制热电纺织品的运行机制如图9b-i所示。CNT阵列可同时用作光热和热电装置，而PVDF-HFP膜则用作辐射冷却器，反射阳光并散热。通过控制PVDF-HFP SSDRC膜在CNT基热电阵列上的覆盖率，可以精确调节整个热电阵列的温度梯度，从而提高从热能到电能的能量转换性能。将四片辐射调制热电织物组装在服装上，以探索其热电性能。通常情况下，在晴天的四个不同时间，输出电压分别可达到115.2、184.5、100.6和2.9 mV(图9b-ii)。此外，Zhao研究小组报道了一种将辐射冷却与水分能量收集相结合的策略。如图9c所示，该水分能量收集装置的特点是双层聚合物，由疏水多孔PVDF-HFP层和吸湿性离子水凝胶(IH)层(PP/IH)组成。PP/IH层压水凝胶通过水/离子流动过程，利用水文循环实现湿气发电，而水/离子流动是由与周围环境的热交换驱动的。PP/IH层压水凝胶的不对称吸湿结构有助于建立内部水分和离子浓度梯度，从而产生连续的水/离子流。这种连续的离子流动可以稳定地发电。白天，PVDF-HFP层阻挡了阳光的吸收，从而减少了PP/IH层压水凝胶内水分的蒸发。这防止了PP/IH层压水凝胶内的水/离子浓度梯度因白天水分蒸发而降低。 夜间，吸湿性离子水凝胶从环境中吸收水分。离子水凝胶吸湿产生的热量通过夜间辐射冷却顶层PVDF-HFP层释放到环境中，从而保持离子浓度梯度的平衡。因此，PP/IH层压水凝胶在白天和夜间均保持稳定的离子浓度梯度，从而确保稳定的电压输出。这种昼夜双工况使PP/IH层压水凝胶在户外实验中实现了连续六天的能量输出。辐射冷却在热电能量收集中的主要优势在于它能够通过辐射冷却产生稳定的温差，从而促进连续的热电转换。在水分能量收集中，离子水凝胶材料的加入可以通过保持离子水凝胶内的水分含量和离子浓度梯度来提高能量产生效率。

图9. SSDRC材料在能量收集中的应用。

V 总结与展望

近年来，日间辐射冷却已成为热管理研究领域的一个重要研究方向，展现出其在个人热管理、建筑制冷和能量收集等领域的广泛应用潜力。日间辐射冷却材料旨在实现高太阳反射率，最大限度地减少太阳光的热量吸收。它们还表现出强大的中红外发射率，尤其是在ATW区域，从而有效地将热量辐射到较冷的大气中。这些材料通常设计为在整个中红外光谱范围内发射，但这种宽谱发射率会无意中导致非ATW波段热辐射的意外吸收，从而严重限制冷却性能。SSDRC材料经过专门设计，主要在ATW范围内发射，同时抑制非ATW范围内的发射/吸收，从而具有卓越的冷却效率。本文总结了SSDRC材料的最新进展，涵盖了其基本特性、结构特征、制造工艺和各种应用。尽管SSDRC 材料取得了重大成就，但影响其性能和实际应用的挑战仍然存在。为了促进SSDRC材料的开发，我们概述了一般挑战和前景(图10)。第一个挑战是SSDRC材料的耐久性，特别是其光学和机械性能。这些材料经常暴露在室外环境中，经常受到各种恶劣环境因素的影响，包括湿气、紫外线和化学降解。为了延长其使用寿命，通过改善疏水性、紫外线反射率、机械强度和耐腐蚀性来提高其耐久性至关重要。

图10. SSDRC材料的挑战与前景。

其次，目前传统的SSDRC材料以白色为主，以实现较高的太阳光反射率。在实际应用中，满足审美偏好是一项挑战。SSDRC材料在阳光照射下的颜色通常由其对可见光谱波长的吸收率决定。然而，由于可见光吸收往往会加热 SSDRC材料，因此难以在保持有效辐射冷却的同时保持特定的美观颜色。一种有前景的解决方案已被提出，该方案依赖于漫散射而非吸收来创造彩色外观，同时保持较高的太阳光反射率。例如，Wang等人提出了一种冷却结构设计，由TiO₂/SiO₂多层、磨砂玻璃无序层和反射银镜组成。TiO₂/SiO₂多层可以有效地反射不需要的光，同时对所需光具有高透射率。例如，蓝色样品透射蓝光，同时强烈反射其他可见光。磨砂玻璃和银镜漫反射透射光，使其穿过多层结构，从而呈现出高度饱和的色彩外观。这种结构设计最大限度地提高了日间辐射冷却性能，同时实现了特定的可见光颜色。根据结构分类，彩色SSDRC 材料可分为两大类：基于光子晶体的系统和基于颜料纳米颗粒的系统。光子晶体作为一类光学超材料，为在辐射冷却应用中精确设计光谱特性提供了一个多功能平台。相比之下，基于纳米颗粒的结构表现出优异的可加工性，其中颜料纳米颗粒在嵌入聚合物基质中时可充当随机分布的光学谐振器。常用的纳米颗粒，如SiO₂、TiO₂、ZnO和BaSO₄，已被有效集成以制造彩色SSDRC材料。

最后，SSDRC材料面临的重大挑战在于如何在保持最佳性能特征的同时实现可扩展的制造和广泛应用。这一关键障碍不仅涉及大规模生产的技术层面，还涉及成本效益、材料可用性以及与现有基础设施系统的集成等实际考虑。从实验室规模的原型成功过渡到商业上可行的可量产解决方案，是充分发挥SSDRC技术在全球应用潜力的关键一步。Tao等人开发了大规模编织超织物。这些超织物经济高效且易于生产，适用于智能纺织品和被动辐射冷却。它们与现有纺织品制造工艺的兼容性使其能够广泛应用。SSDRC材料可广泛应用于城市基础设施。一个代表性的例子是Hu团队研发的白色涂层。他们将微米级的氧化铝颗粒与玻璃颗粒在溶剂中混合。这种涂层可以用简单的刷子涂在不同的表面，从而实现大规模应用。它适用于个人制冷和建筑制冷，满足日常生活和城市的节能需求。SSDRC材料的开发代表着我们朝着应对全球制冷挑战迈出了变革性的一步。诸如用于可穿戴应用的超结构织物和用于建筑制冷的Al₂O₃基涂层等创新技术，展现了这些材料在个人和城市热管理方面具有革新潜力。随着研究的进展，注重可扩展性、成本效益和易用性对于确保这些技术的广泛应用至关重要。通过利用这些进步，SSDRC材料可以在创造更可持续、更节能的未来方面发挥关键作用，最终为更清洁、更凉爽的地球做出贡献。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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