文獻前沿丨Chemical Engineering Journal：自清潔雙模輻射冷卻/加熱材料實現多場景熱管理

隨著建筑能耗問題日益嚴峻，被動輻射冷卻與太陽加熱作為綠色溫控技術受到廣泛關注。然而，現有材料多為功能靜態、模式單一的設計，難以適應動態季節與天氣變化，且表面易受污染而導致性能顯著衰減。針對上述挑戰，本研究設計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，通過相分離與噴涂工藝，分別在其兩側引入經疏水改性的纖維素纖維與碳納米管，構建出具有微納多孔結構的Janus功能表面。該設計使薄膜冷卻側具備高達97.1%的太陽反射率與97.9%的紅外發射率，在日間戶外可實現低于環境溫度7.9℃的輻射冷卻；而加熱側則擁有95.7%的太陽光吸收率，可實現最高47.8℃的升溫。同時，兩側表面均呈現超疏水特性，水接觸角分別達156°和158°，賦予其優異的自清潔能力，清洗前后溫差不超±2℃。薄膜在酸/堿環境中浸泡7天及經受多次機械摩擦后，其光學與熱管理性能保持穩定，未出現分層或損壞。該薄膜制備工藝簡單，具備規模化生產潛力，僅通過翻轉即可實現冷卻與加熱模式的靈活切換，為建筑節能、個人熱管理及戶外設備等領域的動態、全天候熱管理提供了創新且實用的解決方案。相關工作以Switchable self-cleaning dual-mode films with passive radiative cooling and heating for multi-scenario thermal management為題發表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文圍繞實現動態熱管理并提升材料環境適應性，設計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結構設計（圖1a）；通過材料改性（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構，加熱面為三維纖維網絡，二者均具微納粗糙度（圖2a-d）；光譜測試表明冷卻面太陽反射率達97.1%、紅外發射率達97.9%，加熱面太陽吸收率達95.7%（圖2e-f、圖1d）；戶外實測中，冷卻面實現最大低于環境溫度7.9℃的輻射冷卻，加熱面可實現最高47.8℃的升溫（圖3b-c）；自清潔測試顯示，薄膜兩面水接觸角分別達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，溫差波動≤±2℃（圖5b-c、e-f、h-i）；耐久性測試表明薄膜在酸/堿浸泡與機械摩擦后仍保持超疏水性與穩定的熱管理性能（圖6a-f）；汽車與房屋模型實驗證實了其在真實場景中的有效冷卻與加熱能力（圖7a-f）。結果表明，該薄膜具備高效可切換的冷卻/加熱功能、優異的自清潔特性及良好的環境耐久性，為多場景動態熱管理提供了實用解決方案。

圖1.（a）雙模式冷卻（右側）與加熱（左側）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超疏水狀態下的數碼照片：（I）冷卻側與（II）加熱側。（f）大規模SSDF樣品的數碼照片，比例尺為10厘米。（關于圖例中顏色的解釋，讀者可參考本文的網絡版。）

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

圖3.（a）戶外測試裝置照片（上圖）及其示意圖（下圖）。（b）覆蓋SSDF的表面與環境溫度曲線。（c）冷卻側、加熱側與環境之間的溫差。（d）未復合薄膜（單獨薄膜）與覆蓋SSDF表面的溫度對比。（e）CS-50樣品與SSDF冷卻側、HS-40樣品與SSDF加熱側的溫差對比。

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

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

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的溫度曲線對比。（d）冷卻側與（e）加熱側在經過多次手指觸摸摩擦測試后接觸角與滾動角的變化，并附有接觸角圖像。（f）經過手指觸摸摩擦后的SSDF與未經過摩擦的SSDF的溫度曲線對比。（g-i）SSDF在彎曲、卷曲及折疊狀態下的照片。

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

小結：本研究提出了一種可切換自清潔雙模多孔聚合物薄膜，該薄膜能夠實現全天候輻射冷卻與太陽加熱功能。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，通過噴涂與相分離技術制備而成。在冷卻模式下，該薄膜憑借其粗糙表面產生的強漫反射效應，以及高達97.1%的太陽反射率與97.9%的紅外發射率，展現出優異的輻射冷卻性能。在日間，該薄膜最大可低于環境溫度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吸收特性與光熱轉換效率，以及薄膜內部多重光反射結構的協同作用，加熱側的吸收率達到95.7%，最高升溫可達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。其冷卻側與加熱側的接觸角分別達到156°和158°，這一特性確保了薄膜在清潔前后，低于環境溫度的波動范圍不超過±2°C，充分彰顯了其卓越的抗污性與穩定性。此外，薄膜在化學穩定性、機械耐久性、柔韌性以及界面結合強度方面表現良好。在酸性和堿性環境中浸泡7天后，其平均冷卻與加熱溫降仍低于4.5°C；經過80-120次手指觸摸摩擦循環后，兩側接觸角仍保持在150°左右，且冷卻與加熱性能未發生明顯改變，結構完整無分層現象。該薄膜的制備工藝簡便，僅涉及相分離與噴涂技術，具備良好的可擴展性。通過翻轉薄膜，即可輕松實現冷卻與加熱模式之間的切換，使其能夠靈活適應各種環境條件，滿足動態熱管理需求。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能加熱提供了一種創新且實用的解決方案，在高效節能建筑和可持續能源系統等領域展現出顯著的應用潛力。

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.

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