隨著建筑能耗問(wèn)題日益嚴(yán)峻，被動(dòng)輻射冷卻與太陽(yáng)加熱作為綠色溫控技術(shù)受到廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有材料多為功能靜態(tài)、模式單一的設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)季節(jié)與天氣變化，且表面易受污染而導(dǎo)致性能顯著衰減。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究設(shè)計(jì)并制備了一種可切換自清潔雙模薄膜。該薄膜以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物為基體，通過(guò)相分離與噴涂工藝，分別在其兩側(cè)引入經(jīng)疏水改性的纖維素纖維與碳納米管，構(gòu)建出具有微納多孔結(jié)構(gòu)的Janus功能表面。該設(shè)計(jì)使薄膜冷卻側(cè)具備高達(dá)97.1%的太陽(yáng)反射率與97.9%的紅外發(fā)射率，在日間戶(hù)外可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度7.9℃的輻射冷卻；而加熱側(cè)則擁有95.7%的太陽(yáng)光吸收率，可實(shí)現(xiàn)最高47.8℃的升溫。同時(shí)，兩側(cè)表面均呈現(xiàn)超疏水特性，水接觸角分別達(dá)156°和158°，賦予其優(yōu)異的自清潔能力，清洗前后溫差不超±2℃。薄膜在酸/堿環(huán)境中浸泡7天及經(jīng)受多次機(jī)械摩擦后，其光學(xué)與熱管理性能保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)分層或損壞。該薄膜制備工藝簡(jiǎn)單，具備規(guī)?；a(chǎn)潛力，僅通過(guò)翻轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)冷卻與加熱模式的靈活切換，為建筑節(jié)能、個(gè)人熱管理及戶(hù)外設(shè)備等領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)、全天候熱管理提供了創(chuàng)新且實(shí)用的解決方案。相關(guān)工作以Switchable self-cleaning dual-mode films with passive radiative cooling and heating for multi-scenario thermal management為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文圍繞實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱管理并提升材料環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了一種可切換自清潔雙模薄膜。首先，文章展示了薄膜的冷卻/加熱工作原理與Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1a）；通過(guò)材料改性（CNF@POS與CNT@POS）與噴涂-相分離工藝制備了SSDF薄膜（圖1b-c）；SEM圖像顯示冷卻面呈珊瑚狀多孔結(jié)構(gòu)，加熱面為三維纖維網(wǎng)絡(luò)，二者均具微納粗糙度（圖2a-d）；光譜測(cè)試表明冷卻面太陽(yáng)反射率達(dá)97.1%、紅外發(fā)射率達(dá)97.9%，加熱面太陽(yáng)吸收率達(dá)95.7%（圖2e-f、圖1d）；戶(hù)外實(shí)測(cè)中，冷卻面實(shí)現(xiàn)最大低于環(huán)境溫度7.9℃的輻射冷卻，加熱面可實(shí)現(xiàn)最高47.8℃的升溫（圖3b-c）；自清潔測(cè)試顯示，薄膜兩面水接觸角分別達(dá)156°和158°，污染物可被水滴有效清除（圖4a-h）；污染后薄膜溫控性能下降，但自清潔后可恢復(fù)，溫差波動(dòng)≤±2℃（圖5b-c、e-f、h-i）；耐久性測(cè)試表明薄膜在酸/堿浸泡與機(jī)械摩擦后仍保持超疏水性與穩(wěn)定的熱管理性能（圖6a-f）；汽車(chē)與房屋模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其在真實(shí)場(chǎng)景中的有效冷卻與加熱能力（圖7a-f）。結(jié)果表明，該薄膜具備高效可切換的冷卻/加熱功能、優(yōu)異的自清潔特性及良好的環(huán)境耐久性，為多場(chǎng)景動(dòng)態(tài)熱管理提供了實(shí)用解決方案。

圖1.（a）雙模式冷卻（右側(cè)）與加熱（左側(cè)）功能的工作原理圖。（b）纖維素纖維與碳納米管的改性及其作用機(jī)理示意圖。（c）可切換自清潔雙模薄膜的制備流程示意圖。（d）冷卻面的反射率與發(fā)射率曲線（黑色線）以及加熱面的反射率曲線（紅色線）。（e）多種液滴在SSDF超疏水狀態(tài)下的數(shù)碼照片：（I）冷卻側(cè)與（II）加熱側(cè)。（f）大規(guī)模SSDF樣品的數(shù)碼照片，比例尺為10厘米。（關(guān)于圖例中顏色的解釋?zhuān)x者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。）

圖2.（a）SSDF冷卻側(cè)的實(shí)物照片。（b）冷卻側(cè)表面的掃描電子顯微鏡圖像，附接觸角照片。（c）SSDF加熱側(cè)的實(shí)物照片。（d）加熱側(cè)表面的掃描電子顯微鏡圖像，附接觸角照片。（e）不同CNF@POS濃度下冷卻側(cè)的紫外-可見(jiàn)-近紅外反射率與紅外發(fā)射率曲線。（f）不同CNT@POS濃度下加熱側(cè)的紫外-可見(jiàn)光吸收率曲線。（g）SSDF在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下處于冷卻模式與加熱模式時(shí)的紅外熱成像圖像。

圖3.（a）戶(hù)外測(cè)試裝置照片（上圖）及其示意圖（下圖）。（b）覆蓋SSDF的表面與環(huán)境溫度曲線。（c）冷卻側(cè)、加熱側(cè)與環(huán)境之間的溫差。（d）未復(fù)合薄膜（單獨(dú)薄膜）與覆蓋SSDF表面的溫度對(duì)比。（e）CS-50樣品與SSDF冷卻側(cè)、HS-40樣品與SSDF加熱側(cè)的溫差對(duì)比。

圖4.（a）冷卻側(cè)在不同CNF@POS濃度下的接觸角數(shù)值，并附有接觸角照片。（b）冷卻側(cè)表面的SEM圖像及（c）高倍放大圖像。（d）加熱側(cè)在不同CNT@POS濃度下的接觸角數(shù)值，并附有接觸角照片。（e）加熱側(cè)表面的SEM圖像及（f）高倍放大圖像。（g）冷卻側(cè)（I）與加熱側(cè)（II）銀鏡現(xiàn)象的實(shí)物照片。（h）冷卻側(cè)（I-II）與加熱側(cè)（III-IV）自清潔效果的實(shí)物照片。

圖5.（a）SSDF溫度測(cè)量示意圖。（b）冷卻側(cè)及（c）加熱側(cè)在自清潔前、污染過(guò)程中及自清潔后的溫度曲線。（d）冷卻側(cè)自清潔效果的照片。（e）自清潔前RC薄膜與SSDF冷卻側(cè)的溫度對(duì)比。（f）自清潔后RC薄膜與SSDF冷卻側(cè)的溫度對(duì)比。（g）加熱側(cè)自清潔效果的照片。（h）自清潔前SH薄膜與SSDF加熱側(cè)的溫度對(duì)比。（i）自清潔后SH薄膜與SSDF加熱側(cè)的溫度對(duì)比。

圖6.（a）SSDF在pH=1、pH=7及pH=14的溶液中浸泡7天后，其接觸角與滾動(dòng)角的變化。（b）在pH=1及（c）pH=14溶液中浸泡7天的SSDF與未浸泡SSDF的溫度曲線對(duì)比。（d）冷卻側(cè)與（e）加熱側(cè)在經(jīng)過(guò)多次手指觸摸摩擦測(cè)試后接觸角與滾動(dòng)角的變化，并附有接觸角圖像。（f）經(jīng)過(guò)手指觸摸摩擦后的SSDF與未經(jīng)過(guò)摩擦的SSDF的溫度曲線對(duì)比。（g-i）SSDF在彎曲、卷曲及折疊狀態(tài)下的照片。

圖7.（a）三個(gè)汽車(chē)模型及（b）三個(gè)房屋模型的照片；中間為暴露的模型，另外兩個(gè)分別覆蓋了處于冷卻模式與加熱模式的SSDF。（c）戶(hù)外條件下三個(gè)汽車(chē)模型及（d）三個(gè)房屋模型的熱紅外圖像。（e）三個(gè)汽車(chē)模型及（f）三個(gè)房屋模型在陽(yáng)光照射下的實(shí)時(shí)溫度曲線。

小結(jié)：本研究提出了一種可切換自清潔雙模多孔聚合物薄膜，該薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)全天候輻射冷卻與太陽(yáng)加熱功能。此薄膜以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、改性纖維素纖維和改性碳納米管為原料，通過(guò)噴涂與相分離技術(shù)制備而成。在冷卻模式下，該薄膜憑借其粗糙表面產(chǎn)生的強(qiáng)漫反射效應(yīng)，以及高達(dá)97.1%的太陽(yáng)反射率與97.9%的紅外發(fā)射率，展現(xiàn)出優(yōu)異的輻射冷卻性能。在日間，該薄膜最大可低于環(huán)境溫度7.9°C，平均冷卻幅度為5.1°C。在加熱模式下，得益于碳納米管的高太陽(yáng)吸收特性與光熱轉(zhuǎn)換效率，以及薄膜內(nèi)部多重光反射結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，加熱側(cè)的吸收率達(dá)到95.7%，最高升溫可達(dá)47.8°C，平均升溫為31.3°C。該薄膜還具備出色的自清潔特性。其冷卻側(cè)與加熱側(cè)的接觸角分別達(dá)到156°和158°，這一特性確保了薄膜在清潔前后，低于環(huán)境溫度的波動(dòng)范圍不超過(guò)±2°C，充分彰顯了其卓越的抗污性與穩(wěn)定性。此外，薄膜在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械耐久性、柔韌性以及界面結(jié)合強(qiáng)度方面表現(xiàn)良好。在酸性和堿性環(huán)境中浸泡7天后，其平均冷卻與加熱溫降仍低于4.5°C；經(jīng)過(guò)80-120次手指觸摸摩擦循環(huán)后，兩側(cè)接觸角仍保持在150°左右，且冷卻與加熱性能未發(fā)生明顯改變，結(jié)構(gòu)完整無(wú)分層現(xiàn)象。該薄膜的制備工藝簡(jiǎn)便，僅涉及相分離與噴涂技術(shù)，具備良好的可擴(kuò)展性。通過(guò)翻轉(zhuǎn)薄膜，即可輕松實(shí)現(xiàn)冷卻與加熱模式之間的切換，使其能夠靈活適應(yīng)各種環(huán)境條件，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)熱管理需求。本研究提出的可切換自清潔雙模薄膜，為全天候輻射冷卻與太陽(yáng)能加熱提供了一種創(chuàng)新且實(shí)用的解決方案，在高效節(jié)能建筑和可持續(xù)能源系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。

論文信息：Xiyang Liu, Jin Yang, Qianlin Zhang, Yan Zhou, Xiaohua Jia, Haojie Song. Switchable self-cleaning dual-mode films with passive radiative cooling and heating for multi-scenario thermal management. Chemical Engineering Journal, 2025, 518: 164566.

都看到這里了，關(guān)注一下吧^_^

聲明：本文部分素材源自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。分享旨在促進(jìn)信息傳遞與學(xué)術(shù)交流，不代表本公眾號(hào)立場(chǎng)，如有不當(dāng)，請(qǐng)聯(lián)系我們處理。歡迎從事【太陽(yáng)能綜合利用/輻射制冷/微納尺度傳熱】等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者分享您最新的研究工作，我們將竭誠(chéng)為您免費(fèi)推送，投稿郵箱：wangcunhai@ustb.edu.cn