Nano Energy丨雙效協同層狀結構：攻克天氣敏感性難題的強化輻射冷卻技術

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研究背景

全球冷卻需求隨氣候變暖持續攀升，而傳統冷卻技術（如空調）不僅能耗高昂，還會加劇溫室效應，推動了對低能耗、可持續的被動冷卻技術的探索。在各類被動冷卻方案中，蒸發冷卻（EC）和輻射冷卻（RC）是最具潛力的兩類技術，但二者均存在難以規避的固有局限：蒸發冷卻依賴持續的純凈水供應，在全球水資源分布不均、缺水地區廣泛存在的背景下，應用場景受到極大限制；輻射冷卻雖無需用水，通過將熱量以中紅外輻射形式釋放至外太空實現降溫，但其冷卻性能極易受天氣條件影響，尤其是高濕度環境下，界面水對中紅外光子的強吸收會嚴重抑制輻射效果，且其理論冷卻極限相對較低，難以滿足極端氣候下的高效冷卻需求。為突破單一技術的瓶頸，結合 EC 與 RC 優勢的混合冷卻設計成為研究熱點，但現有混合方案始終未能解決核心矛盾 —— 水分雖能強化蒸發冷卻效率，卻會同步破壞輻射冷卻的光學性能，導致兩種機制無法實現真正協同，難以達成全天候穩定的被動冷卻效果。

當前，日間輻射冷卻技術雖取得一定進展，多種新型材料（如冷卻薄膜、選擇性響應材料、輻射冷卻結構材料等）的冷卻功率已突破 50 W?m?2，但多數材料的冷卻功率仍低于 150 W?m?2，主要受限于多變的天氣條件和有限的 8-13μm 大氣窗口 —— 該窗口是中紅外輻射向外太空傳遞的主要通道，云層、高濕度等因素會導致窗口關閉或縮減，大幅削弱輻射冷卻能力?，F有解決方案如設計僅在 8-13μm 波段選擇性輻射的材料，存在材料特異性強、難以規模化應用的問題。同時，全球大氣儲水量約達 12900 km3，作為一種廣泛存在的可再生水資源，尚未被有效整合到冷卻系統中以突破傳統輻射冷卻的理論極限。盡管已有研究嘗試將大氣水分收集與輻射冷卻結合，如通過夜間集水、日間蒸發增強冷卻效果，但當前研究多聚焦于蒸發對輻射冷卻的輔助作用，忽視了提升輻射冷卻本征能力、補償非大氣窗口波長的熱量增益、深入分析集水效率及蒸發冷卻溫度動態變化等關鍵問題，尚未能有效解決復雜天氣下冷卻性能不穩定、供水依賴等核心痛點，亟需開發新型結構設計以實現兩種冷卻機制的深度協同與天氣不敏感性。

相關工作以“Enhanced radiative cooling with dual efficiency stacking for sensitive weather issues”為題，發布在《Nano Energy》期刊上。（中科院一區，JCR一區，IF=17.1）

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研究數據

圖1. (a) 輻射式冷卻器和非輻射式冷卻器的輻射傳熱過程示意圖以及吸水和蒸發循環的建模圖。(b) 由PIFE/PET薄膜和PVA/CNFs-CaCl?水凝膠組成的RE冷卻器的設計示意圖。(c) RE冷卻器的正視圖（俯視圖）和側視圖（仰視圖）照片。(d) PVA/CNFs-CaCl?水凝膠的蒸發可視化圖。(e) PVA/CNFs-CaCl?水凝膠的穩定性。(f) RE冷卻器的冷卻和循環示意圖。

圖 2. (a) 頂層纖維網絡的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及尺寸分布。(b) PTFE / PET的折射率與消光系數。(c) 光學模擬揭示 PTFE/PET 的反射與散射效應，色標表示散射效率。(d) PVA/CNFs水凝膠的掃描電子顯微鏡圖像及孔徑分布。(e) PVA/CNFs-CaCl?水凝膠的 SEM 圖像。(f) PVA/CNFs-CaCl?水凝膠的元素分布。(g) RE cooler組裝前后的反射率 / 發射率光譜。(h) 不同角度下的發射率。

圖 3. (a) 吸水 - 脫附模擬示意圖。(b) 吸水性能對比圖。(c) 水凝膠的脫附曲線。(d) 相對濕度 60% 和 80% 條件下的吸水模擬。(e) 吸水量變化模擬過程。(f) 相對濕度 60% 和 80% 條件下的相對濕度模擬計算。(g) 相對濕度變化模擬過程。(h) 不同濕度條件下RE cooler全天的重量變化。

圖 4. (a) CaCl?的吸附過程分析及其降溫原理。(b) 冷卻效果可視化。(c) 有無水分條件下，含與不含CaCl?水凝膠的溫度模擬。(d) 模擬溫度變化曲線。(e) 連續三天的濕度變化曲線。(f) 輻射 / 蒸發冷卻器（RE cooler）與輻射冷卻器（RC cooler）連續三天的溫度變化曲線。

圖 5. (a) 溫度測量裝置的模型及示意圖。(b) 晴天條件下風速、光密度與冷卻效果的對比圖。(c) 陰天條件下風速、光密度與冷卻效果的對比圖。(d) PTFE/PET薄膜的冷卻功率。(e) RE cooler的冷卻功率。(f) 傳熱示意圖。(g) 熱管理的具體應用場景。

圖6. (a)不同城市的傳統住宅因制冷消耗的能耗與RE冷卻器的制冷消耗及RC冷卻器的制冷消耗對比。(b) 全國范圍內的節能情況。(c) 節能情況。(d) 總節能量和CO?降低量。

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研究結論

本研究提出一種可規模化制備的雙層輻射 / 蒸發冷卻器（RE cooler），通過上層 PTFE/PET 輻射層與下層 PVA/CNFs-CaCl?吸濕水凝膠的物理隔離設計，實現了輻射冷卻與蒸發冷卻的高效協同。該冷卻器具備優異的光學性能與吸濕冷卻能力，太陽反射率達 0.95，8-13μm 大氣窗口發射率達 0.97，吸濕量隨相對濕度變化從 1.75 g?g?1（40% RH）到 2.5 g?g?1（90% RH），蒸發水占總質量的 31%，冷卻容量達 50 kg?m?3；下層水凝膠通過夜間吸附大氣水分、日間蒸發降溫形成自循環水系統，徹底解決了傳統蒸發冷卻的供水難題，且 PTFE/PET 層的疏水性避免了水分積累對輻射性能的抑制。性能測試表明，與傳統輻射冷卻裝置相比，RE cooler 冷卻效果更優且穩定性更強，連續三天測試中溫度始終低 5℃以上，晴天可實現低于環境溫度 13℃的冷卻（較傳統 RC 低 8℃），陰天仍能維持低于環境溫度 10℃的冷卻效果，突破了天氣敏感性限制，其白天冷卻功率達 313.8 W?m?2，是傳統 RC 裝置的四倍以上。能量估算模型顯示，該技術環境友好、零碳排放，單個城市應用后每年可節省 30% 的冷卻能耗，減少至少 10 噸 CO?排放，在電子設備冷卻、發熱設施降溫、戶外個人熱管理等領域具有廣泛應用前景，為規?；?、可持續的被動冷卻技術發展提供了可靠方案。

原文鏈接：10.1016/j.nanoen.2026.111699

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