物质科学
Physical science
2023年10月20日，来自加州大学伯克利分校的吴军桥教授、李嘉琛博士后研究员，以及来自清华大学深圳国际研究生院的双螺旋中心董恺琛助理教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“Printable, emissivity-adaptive and albedo-optimized covering for year-round energy savings”的研究论文。该研究报道了一种批量打印且颜色可调的温度自适应辐射制冷薄膜（PEAC），不仅解决了辐射制冷领域长久存在的低温过制冷问题，还实现了低成本、大面积的卷对卷生产技术。此外，该材料的太阳光吸收率可在生产过程中进行定制，以优化不同气候条件下的全年节能总量，或者优化无空调无暖气的建筑物的温度舒适度。第一作者为李嘉琛、董恺琛，通讯作者为吴军桥。
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研究背景
日间辐射制冷（daytime radiative cooling）材料具有非常高的太阳光反射率及大气窗口（8-14 μm）红外辐射率，于建筑物、服装、汽车等场景中展现出巨大的节能和控温潜力。然而在环境温度较低的情况下，日间辐射制冷材料仍会起到强烈的制冷效果，从而导致“过制冷”现象，进而加剧供暖系统的能量消耗。作为上述“过制冷”问题的解决方案，温度自适应辐射制冷材料的红外辐射率随温度升降自动变化，在“高温-制冷”和“低温-保暖”模式间智能切换，且上述过程无需机械结构、用户操作或外部供能。但是，现有的温度自适应辐射制冷材料受限于生产工艺复杂、生产成本高昂、产品尺寸过小、使用寿命不足等多方面的问题，与实际应用仍有较大差距。因此，亟需研制一种可以低成本批量化生产的高效温度自适应辐射制冷材料，以推进这一先进节能和控温技术走入实际应用。
本文亮点
1.成果简介
此工作报道了一种名为PEAC的温度自适应辐射制冷薄膜及其卷对卷批量生产技术。此薄膜基于相变材料二氧化钒，构筑了高耗散光学天线微阵列，使得红外辐射率可随表面温度在0.25到0.85的范围内自动切换。不同于以往的温度自适应辐射制冷材料（Science, 374(6574), 1504-1509; Science, 374(6574), 1501-1504），PEAC的红外辐射率切换性质不再依赖于Fabry-Perot干涉原理，具有极强的可扩展性：可在不影响红外辐射率切换的同时，加入红外透明颜料调节太阳光吸收光谱，以优化不同气候条件下的全年节能效率或温度舒适度，并满足用户对颜色的需求。由于PEAC的制造方法采用了工业界成熟的卷对卷制造工艺，结构材料大量采用了聚乙烯（PE）、聚酯（PET）、铝等可回收材料，所以PEAC的生产成本与市面上部分辐射制冷产品相近，并且远低于同类智能辐射制冷技术。
在户外的房屋模型实验中，PEAC展现出了优于其他屋顶材料的被动控温性能。基于美国各气候区域的实际气候数据，研究人员通过建模计算，展示了PEAC相比于日间辐射制冷材料在不同气候条件下的巨大全年节能优势。此外，研究人员基于EnergyPlus建模计算，证明PEAC可以有效帮助无空调无暖气的房屋实现“冬暖夏凉”的效果，揭示了PEAC具有提高能源贫困地区房屋居住舒适度的应用潜力。
图1. PEAC的技术原理，样品展示及节能效益。
2.PEAC的制备工艺及表征
PEAC的制备工艺包括图形化、钨掺杂二氧化钒（WxV1-xO2）纳米颗粒表面涂覆、层压Al/PET薄膜三个步骤，该过程未涉及微纳加工技术，因此生产成本低廉且生产速度高（可达100米每小时）。为适应不同应用场景，PEAC的红外辐射率切换温度可由二氧化钒的钨掺杂浓度进行调节。PEAC的太阳光吸收率和红外辐射率分别由UV-vis-NIR光谱仪及FT-IR光谱仪测量。如图2所示，PEAC的太阳光吸收率不随温度变化，但是大气窗口红外辐射率随着温度在0.25到0.85的范围内自动切换。
图2. PEAC的卷对卷制造工艺及太阳光吸收率/红外辐射率光谱表征实验结果。
3.光学原理及结构设计
为了解释PEAC不同于以往温度自适应辐射制冷材料的独特光学原理，此工作使用COMSOL Multiphysics对PEAC进行电磁学分析。在低温情况下，WxV1-xO2处于红外透明的半导体相，此时PEAC近似于铝膜形成的镜面表面，具有很低的红外吸收率。由红外辐射的基尔霍夫定理可知，此状态下PEAC也具有很低的红外辐射率。当PEAC温度高于WxV1-xO2的相变温度时，WxV1-xO2处于高耗散的金属相，导致WxV1-xO2与PE之间强烈的阻抗失配，且与相邻的WxV1-xO2单元形成高耗散的光学天线。当入射红外光接触到WxV1-xO2阵列时，将在WxV1-xO2单元的侧壁形成倏逝波，导致强烈的红外吸收/发射（图3B）。研究人员使用有限/无限厚度PE情况下PEAC的红外辐射光谱，证明了PEAC红外辐射率切换效果与Fabry-Perot干涉原理无关（图3C），从而其性能对制备过程带来的不均匀性有较大的容忍性，有利于大尺度生产。
图3. PEAC红外辐射率切换原理。
4.太阳光吸收率调节
太阳光加热是优化建筑物全年节能总量的最重要因素之一。不同于全年高温的热带地区，许多温带及寒带地区的房屋需要相对较高的太阳光吸收率，以降低供暖系统的能耗。此外，为了实现温度自适应辐射制冷薄膜的商业化，需要重视用户对材料的颜色与美观性的需求。由于PEAC的红外辐射率切换与Fabry-Perot干涉原理无关，研究人员可以通过加入红外透明的调色层以优化PEAC的太阳光吸收率，从而针对不同气候特点实现本地区的最大全年节能总量。图4展示了具有调色层的PEAC结构与太阳光吸收光谱，该调色层不会影响PEAC的红外辐射率切换性能。
图4. 具有调色层的PEAC结构与性能。
5.建筑物控温节能的户外测试与建模计算
研究人员使用房屋模型实验测试了PEAC的建筑物控温节能性能。实验中采用的房屋模型由3D打印制成，其屋顶及墙壁厚度经过精细设计，以模拟真实房屋结构的热阻。房屋模型的侧壁表面涂覆商用房屋油漆，三个房屋模型的屋顶分别被PEAC、商用日间辐射制冷油漆、商用深色油漆覆盖。研究人员在夏季无云的一天，将上述实验设备放置在伯克利民房的屋顶上进行24小时实地测试，并且使用邻近的气象站记录了实验期间的实时天气数据。三个房屋模型的室内温度由图5B所示：在正午太阳直射的情况下，PEAC起到了辐射制冷效果，室内温度远低于深色屋顶油漆组，略高于日间辐射制冷油漆组；在寒冷的夜间，PEAC房屋模型的室内温度高于另外两个对照组。此实验结果证明了PEAC的高温制冷与低温保暖功能。基于实际房屋能效参数的能耗计算得出：在此情况下PEAC比日间辐射制冷油漆额外节约了78.61 KJ/m2/day的能量。在更冷的季节里，随着平均温度的下降与建筑物供暖需求的增加，PEAC相比于日间辐射制冷油漆的节能优势将进一步增加。
此工作对PEAC作为屋顶材料的节能潜力进行了系统的数值建模计算（图1E和5C），证明在优化太阳光吸收率的情况下，在大多数气候区域中PEAC的全年节能总量均优于传统日间辐射制冷材料。以旧金山一幢158 m2的房屋为例：在使用PEAC的情况下，每年可比传统日间辐射制冷材料额外节省12.63 GJ的能量，对应约2.5吨的二氧化碳排放量。
图5. 户外控温性能测试与全年节能效益计算。
总结
此工作报道了一种能批量打印且颜色可调的温度自适应辐射制冷薄膜，在温度自适应辐射制冷技术的实际应用领域取得突破。研究人员基于独特的光学原理，研发了该薄膜的卷对卷制造技术，并实现了调色功能。户外实验与能耗计算展示了PEAC相比于传统日间辐射制冷材料的巨大节能优势。此外，此工作中高耗散光学天线阵的原理设计为未来的智能辐射制冷材料研究开辟了一条崭新的研究路线。
PEAC的发明解决了日间辐射制冷技术与温度自适应辐射制冷技术在实际应用过程中遇到的众多问题，不仅适用于建筑行业，还可作为新时代的无源温度控制技术，广泛地应用于航天、服装、车辆、户外设备等领域。
作者简介
吴军桥 教授
论文通讯作者，现为加州大学伯克利分校材料科学与工程系校长讲席教授/系主任，兼劳伦斯伯克利国家实验室研究员。曾荣获美国总统青年科学家奖、TMS学会约翰·巴丁奖、美国国家基金委Career奖、美国能源部Early Career奖，美国物理学会会士等众多奖项。并于2022年当选美国物理学会材料物理学部主席序列。主要研究方向为低维功能材料、能源材料、电子材料等。迄今已在国际一流刊物上发表论文超过250篇，多年入选“科睿唯安全球高被引科学家”。
李嘉琛 博士
论文第一作者。现为加州大学伯克利分校材料科学与工程系博士后研究员。本科毕业于清华大学，博士毕业于伯克利加州大学。曾获得福布斯北美区“30 under 30 List in Energy”，UC Berkeley Applied Science and Technology Excellence in Research奖等荣誉。主要研究方向为相变材料、红外辐射调控材料、传热学等。以第一作者在Science, Joule, Appl. Phys. Lett., Opt. Express等期刊发表多篇论文。
董恺琛 助理教授
论文共同第一作者，现为清华大学深圳国际研究生院助理教授。本科和博士毕业于清华大学，曾在加州大学伯克利分校做博士后研究员。曾获得《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人（35 Innovators Under 35）”、中国仪器仪表学会“测量控制与仪器仪表领域全国优秀博士论文”、清华大学优秀博士学位论文等奖项。主要研究方向是光子学、智能辐射散热、微机电系统、相变材料等。以第一/通讯作者在Science, Joule, Phys. Rev. Lett., Adv. Mater., Nat. Commun., Sci. Adv.等期刊发表多篇论文。
相关论文信息
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00401-4
