【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)以及氣候變化的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的能源密集型溫控手段已難以滿足節(jié)能減排和生活品質(zhì)提升的雙重需求。光熱調(diào)控技術(shù)作為一種新興的解決方案，通過(guò)高效調(diào)控光能與熱能的轉(zhuǎn)化、傳遞、存儲(chǔ)和散發(fā)過(guò)程，優(yōu)化能源利用效率和溫度控制效果，對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和人體熱管理具有重要意義。近期，化工系張如范團(tuán)隊(duì)在高性能光熱調(diào)控材料研究領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要原創(chuàng)性成果，為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力支撐。
 

　　首先，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的建筑節(jié)能技術(shù)。眾所周知，建筑能耗占全國(guó)總能耗的30%左右。如何在滿足室內(nèi)舒適度要求的同時(shí)，降低建筑運(yùn)行能耗和碳排放，已成為亟待解決的核心難題。針對(duì)建筑物的非透明式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種電驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)輻射熱調(diào)控材料，該材料具有多種顏色，適用于全年建筑節(jié)能。所制備的動(dòng)態(tài)輻射熱調(diào)控材料能夠動(dòng)態(tài)且獨(dú)立地調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射和中紅外輻射，并展示了三種不同的工作模式：加熱模式、白色冷卻模式和多色彩冷卻模式(藍(lán)色、綠色)。所制備的動(dòng)態(tài)輻射熱調(diào)控材料的熱調(diào)節(jié)能力顯著提高，冷卻和加熱模式之間的功率差異為659 W/m²，溫度調(diào)節(jié)范圍高達(dá)11℃。模擬計(jì)算表明，所制備的動(dòng)態(tài)輻射熱調(diào)控材料可以在季節(jié)性溫度變化的城市中減少全年建筑能耗16.75 MJ/m²。這種設(shè)計(jì)不僅最大化了熱調(diào)節(jié)能力，還滿足了審美需求，顯示出廣泛的實(shí)際應(yīng)用潛力。該工作以“一種適用于建筑全年節(jié)能的電驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)多色輻射熱調(diào)節(jié)材料”(An Electro-Driven Dynamic and Multicolored Radiative Thermal Regulation Material for All-Year-Round Building Energy Saving)(論文1)為題，于2024年12月1日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。
 

圖1.電驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)多色彩輻射熱調(diào)控材料的光譜設(shè)計(jì)示意圖
 

　　第二，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高性能的電致變色節(jié)能智能窗。窗戶作為建筑的關(guān)鍵部分，對(duì)室內(nèi)溫度和居住舒適度有著顯著影響。雙波段電致變色智能窗通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可見(jiàn)光和近紅外光的透過(guò)率，在降低建筑能耗和改善居住舒適度方面具有很大的潛力。然而，現(xiàn)有的電致變色智能窗性能未能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有高離子導(dǎo)電性、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性的新型固態(tài)電解質(zhì)，所制備的固態(tài)電解質(zhì)具有高離子導(dǎo)電率(6.48 mS/cm)和高透過(guò)率(>90%)?；谶@種固態(tài)電解質(zhì)的電致變色智能窗具有快速的變色速度(著色/褪色時(shí)間分別為3.0 s和3.2 s)、良好的穩(wěn)定性(1000次循環(huán)無(wú)明顯衰減)、高著色效率(373.8 cm²/C)以及在全太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的高光學(xué)調(diào)制能力(在673 nm、1200 nm和1600 nm處調(diào)制范圍分別為85%、70%和43%)。該智能窗具有明亮、涼爽、黑暗三種工作模式，可大幅度調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，在降低建筑能耗和提升居住舒適度方面具有巨大潛力。該研究以“一種用于高性能的雙波段電致變色智能窗的局部解離的固態(tài)聚合物電解質(zhì)”(A Local-dissociation Solid-statePolymer Electrolyte with Enhanced Li+Transport for High-performance Dual-band Electrochromic Smart Windows)(論文2)為題，于2024年12月4日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。
 

圖2.高性能雙波段電致變色智能窗的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物照片
 

　　第三，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高性能輻射制冷防曬霜。隨著全球夏季高溫天氣的增多，尤其是2024年南亞地區(qū)超過(guò)50°C的極端高溫，戶外強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)防曬產(chǎn)品通過(guò)吸收或反射紫外線(UV)來(lái)保護(hù)皮膚，但其對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的高透射性，無(wú)法避免太陽(yáng)輻射熱對(duì)皮膚的加熱，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)防曬霜在高溫環(huán)境下難以維持人體表面溫度的舒適性。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有高效輻射制冷性能的防曬霜。該防曬霜不僅能顯著降低皮膚溫度，還能有效地阻擋紫外線輻射。通過(guò)調(diào)整防曬霜在紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光和中紅外光波段的透射、反射和發(fā)射特性，這種輻射冷卻防曬霜(RC防曬霜)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90.19%的太陽(yáng)光反射率和92.09%的中紅外發(fā)射率，能夠有效地將熱量散發(fā)至外太空。該防曬霜顯示出優(yōu)異的制冷性能，在各種夏季戶外場(chǎng)景中，涂有輻射制冷防曬霜的皮膚表面溫度相比裸露皮膚降低4.2-6.0°C，相比傳統(tǒng)防曬霜降低2.3-6.1°C。該工作以“高性能輻射制冷防曬霜”(A High-Performance Radiative Cooling Sunscreen)(論文3)為題，于2024年12月15日發(fā)表于《納米快報(bào)》(Nano Letters)。
 

圖3.輻射制冷防曬霜的概念設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建以及理論模擬
 

　　第四，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種集成優(yōu)異排汗性能、熱傳導(dǎo)性能和輻射制冷降溫性能于一體的超涼爽織物。中國(guó)特殊的氣候條件，如溫帶和亞熱帶地區(qū)夏季的高溫濕熱環(huán)境，對(duì)個(gè)體舒適性和能源使用提出了更高要求。輻射制冷是一種新興的零能耗熱管理技術(shù)，對(duì)高溫天氣戶外場(chǎng)景中的人體降溫具有重要意義。然而，現(xiàn)有的紡織品受限于固有降溫功率低、疏水性高和導(dǎo)熱性差等問(wèn)題，尤其是炎熱夏季伴隨的排汗和散熱問(wèn)題，難以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)令人滿意的降溫效果。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種集成優(yōu)異排汗性能、熱傳導(dǎo)性能和輻射制冷降溫性能于一體的超涼爽織物。該織物正面采用聚甲醛(POM)納米紡織品作為選擇性輻射制冷發(fā)射體，反面采用親膚導(dǎo)熱硅膠作為熱傳導(dǎo)體，并采用圖案化的竹紗線(一種從竹子中提取的纖維素纖維，具有良好的親水性)作為汗液傳輸通道。這種織物能夠迅速(幾秒鐘內(nèi))從皮膚表面吸收汗水并傳輸至織物外側(cè)，同時(shí)織物導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1.5 W/(m·K)，防止人體在高溫戶外出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，表現(xiàn)出優(yōu)異的人體降溫效果(比沒(méi)有汗液時(shí)的超織物低10.9 ℃)。此外，在不排汗的情況下，所制備的超涼爽織物仍能夠比商用棉織物實(shí)現(xiàn)9.6 ℃的降溫，這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的個(gè)人熱管理紡織品提供了一種新的思路。該工作以“集成針織導(dǎo)汗和涂層導(dǎo)熱的輻射制冷超織物”(Radiative Cooling Meta-Fabric Integrated with Knitting Perspiration-Wicking and Coating Heat Conduction)(論文4)為題，與2024年12月31日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》(ACS Nano)。
 

圖4.導(dǎo)濕導(dǎo)熱的輻射制冷超織物設(shè)計(jì)示意圖
 

　　張如范為上述四篇論文的通訊作者，化工系2021級(jí)直博生趙思名、博士后吳學(xué)科(已出站)、2021級(jí)本科生郭震宇為論文1的共同第一作者，化工系2020級(jí)直博生李潤(rùn)為論文2的第一作者，化工系科研助理徐佳琪為論文3的第一作者，化工系訪問(wèn)學(xué)者劉瑞娜和趙思名為論文4的共同第一作者。相關(guān)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-豐田聯(lián)合基金等的資助。