清華新聞網(wǎng)1月10日電 隨著全球能源需求的不斷增長,、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,，通過高效調(diào)控光能與熱能的轉(zhuǎn)化,、傳遞,、存儲和散發(fā)過程，優(yōu)化能源利用效率和溫度控制效果,，對于實現(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)隊在高性能光熱調(diào)控材料研究領(lǐng)域取得了多項重要原創(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)隊開發(fā)了一種新型的建筑節(jié)能技術(shù)。眾所周知,，建筑能耗占全國總能耗的30%左右,。如何在滿足室內(nèi)舒適度要求的同時，降低建筑運行能耗和碳排放,，已成為亟待解決的核心難題,。針對建筑物的非透明式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊設(shè)計并制備了一種電驅(qū)動的動態(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。所制備的動態(tài)輻射熱調(diào)控材料能夠動態(tài)且獨立地調(diào)節(jié)太陽輻射和中紅外輻射,，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℃,。模擬計算表明,，所制備的動態(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)動動態(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)動動態(tài)多色彩輻射熱調(diào)控材料的光譜設(shè)計示意圖
第二，研究團(tuán)隊開發(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動態(tài)調(diào)節(jié)可見光和近紅外光的透過率,，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際應(yīng)用的需求,。研究團(tuán)隊開發(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/褪色時間分別為3.0 s和3.2 s）,、良好的穩(wěn)定性（1000次循環(huán)無明顯衰減）、高著色效率（373.8 cm2/C）以及在全太陽光譜范圍內(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)示意圖及實物照片
第三,，研究團(tuán)隊開發(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50°C的極端高溫,，戶外強(qiáng)烈的太陽輻射對人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)防曬產(chǎn)品通過吸收或反射紫外線（UV）來保護(hù)皮膚,，但其對可見光和近紅外光的高透射性,，無法避免太陽輻射熱對皮膚的加熱，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)對這一問題,，研究團(tuán)隊開發(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,。通過調(diào)整防曬霜在紫外光、可見光,、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）實現(xiàn)了高達(dá)90.19%的太陽光反射率和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》（Nano Letters）,。
圖3.輻射制冷防曬霜的概念設(shè)計、模型構(gòu)建以及理論模擬
第四，研究團(tuán)隊開發(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,，對個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),，對高溫天氣戶外場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)熱性差等問題,，尤其是炎熱夏季伴隨的排汗和散熱問題，難以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)令人滿意的降溫效果,。研究團(tuán)隊開發(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)過熱現(xiàn)象,，表現(xiàn)出優(yōu)異的人體降溫效果（比沒有汗液時的超織物低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現(xiàn)9.6 ℃的降溫,，這項研究為設(shè)計具有實際應(yīng)用價值的個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《美國化學(xué)會·納米》（ACS Nano）,。
圖4.導(dǎo)濕導(dǎo)熱的輻射制冷超織物設(shè)計示意圖
張如范為上述四篇論文的通訊作者，化工系2021級直博生趙思名,、博士后吳學(xué)科（已出站）,、2021級本科生郭震宇為論文1的共同第一作者，化工系2020級直博生李潤為論文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)研究得到國家自然科學(xué)基金,、國家重點研發(fā)計劃,、清華-豐田聯(lián)合基金等的資助。
論文鏈接：
論文1：https://doi.org/10.1002/adfm.202419378
論文2：https://doi.org/10.1002/adfm.202419357
論文3：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04969
論文4：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12196
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
