上海微系統(tǒng)研究所王博翔團(tuán)隊(duì)、川大肖明教授ACS Energy Lett.：電化學(xué)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)態(tài)變色的日間輻射冷卻器

彩色日間輻射冷卻器在熱管理且對美學(xué)敏感的應(yīng)用中具有吸引力。然而，現(xiàn)有的彩色日間輻射冷卻器僅提供靜態(tài)顏色，并且由于顯著增加的太陽能吸收而不能實(shí)現(xiàn)顏色切換的同時(shí)保持持續(xù)的亞環(huán)境冷卻能力，限制了其在諸如室外動(dòng)態(tài)信息顯示器等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。為了解決這一挑戰(zhàn)，本研究開發(fā)了動(dòng)態(tài)日間輻射冷卻器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的顏色切換和低溫冷卻。這種雙重功能是通過可逆金屬電沉積可重構(gòu)的高質(zhì)量光學(xué)納米腔實(shí)現(xiàn)的，首次允許電致變色，激勵(lì)的動(dòng)態(tài)操縱/窄帶共振吸收的消失。與陽光直射下的內(nèi)部空氣相比，這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了2.6 - 5.3°C的低于環(huán)境溫度的冷卻，并表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和可編程動(dòng)態(tài)彩色顯示器靈活性。這項(xiàng)工作大大擴(kuò)展了輻射冷卻技術(shù)的應(yīng)用場景，并為下一代節(jié)能和多功能智能設(shè)備的可持續(xù)發(fā)展提供了新的范例。相關(guān)工作以Daytime Radiative Cooling with Electrochemically Driven Dynamic Colors為題發(fā)表在ACS Energy Letters期刊。

本文從戶外動(dòng)態(tài)信息屏對“彩色-降溫”雙功能需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖1所示可逆電沉積Ag的平面納米腔電極（PME），在ITO/TiO?/Pt基底上構(gòu)建Fabry-Pérot共振結(jié)構(gòu)，制備出動(dòng)態(tài)彩色輻射制冷器件（DCMRC）。實(shí)測圖2：在555 nm處反射率可由0.88可逆調(diào)至0.68，太陽反射率維持0.92，MIR發(fā)射率0.90；循環(huán)500次無衰減。圖3室外測試顯示器件始終低于環(huán)境2.6-5.3 °C，最高降溫8.1 °C；圖4 5×5像素陣列實(shí)現(xiàn)“SIMIT”動(dòng)態(tài)圖案，全球36城替代LED/EC屏可省電0.9-54.9 kWh m?2。圖5柔性PET版100 cm2大面積均勻變色，皮膚側(cè)降溫5.8 °C，驗(yàn)證其可擴(kuò)展與可穿戴應(yīng)用潛力。

圖1.通過結(jié)合基于金屬納米腔的電極和基于Ag的RMED的主動(dòng)顏色調(diào)節(jié)機(jī)制。（a）DCMRC實(shí)現(xiàn)具有持續(xù)輻射冷卻能力的顏色切換的示意圖。該設(shè)備可以在漂白和/或漂白之間切換。（不含EDAg）和彩色（具有ED-Ag）狀態(tài)。具有和不具有ED-Ag的PME的示意圖，以及通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）觀察的電沉積之前和之后的相應(yīng)形態(tài)。（b?e）模擬光譜和平均太陽反射率、透射率，以及不含ED-Ag的PME的吸收率（b，c）和含ED-Ag的PME的吸收率（d，e）。（f）在PME上的頂部Ag鏡層和ITO腔的不同厚度下，漂白和彩色狀態(tài)之間的太陽反射率差異。所有PME都具有50 nm的TiO2層。圖1b-e中的PME結(jié)構(gòu)由洋紅色星星標(biāo)記。（g）具有50 nm TiO 2層的PME的顏色樣本在顏色狀態(tài)下作為PME上的頂部Ag鏡層和ITO腔的厚度的函數(shù)。不透明ED-Ag層的厚度設(shè)置為200 nm。虛線由在Tamb = 30 °C下實(shí)現(xiàn)Pnet = 0的相應(yīng)結(jié)構(gòu)確定（圖S9）。（h）在323和303 K下電沉積Ag和具有被動(dòng)冷卻能力的相應(yīng)PME之后，所有PME（頂部Ag層：10-50 nm，ITO腔：0-120 nm，TiO2腔：10-50 nm，Pt：10 nm，和ED-Ag：200 nm）的色域。

圖2. DCMRC的表征。（a）測量的光譜反射率（0.3-2.5 μm）的洋紅色DCMRC，具有40 nm的頂部Ag層（DCMRC-1），（無色）和彩色狀態(tài)。（b）測量的光譜反射率（0.3-2.5 μm）的洋紅DCMRC與30 nm的頂部Ag層（DCMRC-2）在漂白（無色）和彩色狀態(tài)下。（c）DCMRC的光譜發(fā)射率（2.5-20 μm）。(d)左側(cè)：EDX圖譜對應(yīng)于Ag電沉積前后PME橫截面的STEM圖像（圖1a（插圖））。元素：Ag、O、Si、Ti、In、Sn和Pt）。右：Ag電沉積前后PME表面形態(tài)的SEM圖像。ED-Ag膜與PME一起構(gòu)建納米腔，導(dǎo)致在特定波長處激發(fā)FP共振。(e)在施加循環(huán)電壓期間，DCMRC在可見光譜中的光譜反射率。（f）在555 nm處測量的實(shí)時(shí)反射率變化。在8 s的休息時(shí)間后施加?2.7 V（30 s）和+1.2 V（30 s）的循環(huán)電壓。（g，h）DCMRC的循環(huán)壽命測試。（諧振波長）可以保持500次循環(huán)而不劣化，而超過300-1000 nm的高平均反射幾乎保持不變（~ 0.89）。

圖3. DCMRC的室外冷卻性能。（a）DCMRC-1的恒電位循環(huán)曲線和相應(yīng)的顏色切換。（b）在太陽強(qiáng)度高達(dá)740 W/m2的測試裝置中，DCMRC-1的測量溫度與環(huán)境空氣溫度的比較。（c）DCMRC-1與環(huán)境空氣溫度的相應(yīng)溫度下降。（d）DCMRC-1的溫度（e）與環(huán)境空氣溫度相比，DCMRC-1的相應(yīng)溫度下降。（f）DCMRC-2、高反射白光LED器件和商業(yè)EC顯示器件的溫度（潘尼：PSS）在800 W/m2的太陽輻照度下。（g）DCMRC-2（中心）、高反射白光LED器件（右）和商業(yè)EC顯示器件的圖像EC顯示器件（本公司的DCMRC-2和PANI：PSS系EC器件）的反射色在強(qiáng)烈的陽光下具有很高的可見度，而LED器件發(fā)出的光在這種環(huán)境條件下是不可見的。

圖4.基于我們的DCMRC的多路可編程信息顯示器。（a）5 × 5多路可編程DCMRC的結(jié)構(gòu)和制造。首先將對電極粘合到橡膠墊片上，然后將電解質(zhì)注入中空區(qū)域。然后將工作電極放置在頂部，確保與電解質(zhì)完全接觸。（b-c）由我們的DCMRC產(chǎn)生的加色（b：紅色、綠色和藍(lán)色）和減色（c：青色、洋紅和黃色）的測量反射光譜和圖像。（d）在室內(nèi)條件下顯示藍(lán)色“SIMIT”圖案的5 × 5多路復(fù)用顯示器的照片。（e）5 × 5多路復(fù)用顯示器的照片，在戶外條件下顯示洋紅色的“SIMIT”圖案。我們的多路復(fù)用可編程DCMRC的反射色在陽光下具有高可見度和可讀性。（f）DCMRC與商業(yè)EC顯示器的全球電力節(jié)能潛力比較圖（PANI：PSS）。藍(lán)色圓圈表示節(jié)能值，其按圓圈的面積縮放。

圖5.用于熱管理和信息顯示的柔性DCMRC。（a）柔性DCMRC原理圖和工作原理。（b）彩色圖案柔性DCMRC照片。（c）柔性品紅色-DCMRC和商業(yè)品洋紅包裝膜的測量的太陽能反射光譜。（d）附著于人體皮膚的柔性DCMRC和商業(yè)包裝膜的熱照相機(jī)圖像和相應(yīng)照片。在著色狀態(tài)下，我們的DCMRC可以實(shí)現(xiàn)105.8 °C的冷卻效果，與具有類似顏色的商業(yè)包裝膜相比。在10 cm × 10 cm柔性DCMRC的三個(gè)不同點(diǎn)處測量反射光譜，以證明從邊緣到中心的均勻著色。10 cm × 10 cm柔性DCMRC（著色狀態(tài)）。

小結(jié)：綜上所述，本研究將可逆金屬電沉積技術(shù)和納米腔設(shè)計(jì)相結(jié)合，開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)著色策略，在保持白天被動(dòng)冷卻能力的同時(shí)具有優(yōu)異的著色性能。通過利用這種著色策略，本文制備了在著色和漂白狀態(tài)下均具有0.92和0.93的高平均太陽反射率的DCMRC，與暴露于直接太陽輻射的環(huán)境相比，在顏色切換期間允許2.6?5.3 °C的溫度下降。同時(shí)，即使經(jīng)過500次循環(huán)，這些器件依舊可以動(dòng)態(tài)地激發(fā)和消除用于顏色切換的FP共振。研究進(jìn)一步開發(fā)了一系列多路復(fù)用可編程DCMRC，作為將動(dòng)態(tài)信息顯示與低于環(huán)境溫度的輻射冷卻相結(jié)合的概念驗(yàn)證。這些設(shè)備不僅展示了本研究的產(chǎn)品不僅具有信息顯示能力和在陽光下的高色彩可見度，而且在室外條件下比PANI：基于PSS的商用EC和LED顯示屏的被動(dòng)冷卻溫度高12.7和16.6 °C。同時(shí)，本文的產(chǎn)品還與柔性基板兼容，實(shí)現(xiàn)了多功能性，包括可圖案化顯示、可穿戴性和被動(dòng)輻射冷卻。本文的100 cm2柔性DCMRC也可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的動(dòng)態(tài)顯色，這比已報(bào)道的RMED器件大得多。此外，DCMRC可以顯示出比PANI：基于PSS的商業(yè)EC和基于Si的LED顯示器更出色的節(jié)能能力。本文的動(dòng)態(tài)顯色策略，沿著前所未有的性能，為將被動(dòng)輻射熱管理集成到動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)中鋪平了道路，為節(jié)能戶外顯示器打開了大門。

論文信息：Jin, S., Yi, F., Gong, Z., Yang, D., Peng, Y., Hou, J., ... & Wang, B. (2025). Daytime Radiative Cooling with Electrochemically Driven Dynamic Colors. ACS Energy Letters, 10, 5993-6003.

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