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南方科技大學(xué)孫大陟團(tuán)隊(duì)、香港理工大學(xué)王鉆開團(tuán)隊(duì) ACS Nano：增強(qiáng)型輻射制冷材料實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)熱管理
2023-02-10  來源：高分子科技

  被動輻射制冷（passive radiative cooling）作為一種無需能量輸入的新興制冷技術(shù)，在應(yīng)對能源危機(jī)與降低能耗領(lǐng)域具有巨大的潛力。近年來，有關(guān)被動輻射制冷的研究已經(jīng)得到了廣泛的報(bào)道。應(yīng)用于日間的輻射制冷材料不僅需要盡可能多地反射太陽光以減少能量的獲取，還需要向低溫的宇宙輻射更多的熱量。因此，高性能的日間輻射制冷材料需要在太陽光譜范圍（0.3-2.5 μm）內(nèi)具有高反射率，在中紅外波長范圍內(nèi)，尤其是在大氣窗口 (8-13 μm)，具有高發(fā)射率。但是，近些年對日間輻射制冷的研究主要著重于提高其在不同環(huán)境下的制冷性能，以至于忽略了不斷提高的制冷性能會在夜間造成過冷現(xiàn)象。因此，在實(shí)現(xiàn)有效日間制冷的同時(shí)避免夜間過冷對于輻射制冷材料的應(yīng)用具有重要意義。


  近日，南方科技大學(xué)孫大陟副教授團(tuán)隊(duì)和香港理工大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種增強(qiáng)型輻射制冷材料，該材料通過集成被動輻射制冷和室溫相變材料的溫度控制能力，實(shí)現(xiàn)了有效的溫度自適應(yīng)熱管理。與傳統(tǒng)的輻射制冷材料相比，該增強(qiáng)型輻射制冷材料（PCMRC）可以根據(jù)晝夜溫度自主地調(diào)節(jié)其性能。在溫度較高的白天，PCMRC展現(xiàn)出相變材料制冷和輻射制冷的雙重制冷效果，從而獲得更大的低于環(huán)境溫度的溫降。而在溫度較低的夜晚，PCMRC則表現(xiàn)出相變材料制熱和輻射制冷的綜合作用，從而在整體上取得一個(gè)削弱的降溫效果，有時(shí)甚至可以獲得高于環(huán)境溫度的溫升，這有效地避免了輻射制冷材料在應(yīng)用過程中過冷現(xiàn)象的出現(xiàn)。實(shí)際戶外測試中，PCMRC在陽光直射條件下溫度平均下降了6.3 °C，這比傳統(tǒng)輻射制冷材料對比樣的溫度要低2.2 °C。在夜間，PCMRC的平均溫度比環(huán)境溫度高2.1 °C，而傳統(tǒng)輻射制冷材料對比樣的溫度仍然低于環(huán)境溫度。此外，戶外測試結(jié)果也表明，PCMRC可以取得更小的晝夜溫差，有希望減弱了晝夜溫差過大帶來的不適。該研究為被動輻射制冷的性能調(diào)節(jié)，以及擴(kuò)展被動輻射制冷的應(yīng)用提供了一種新的思路。 


圖1. PCMRC的設(shè)計(jì)和工作原理。（A）2022年10月在深圳進(jìn)行的連續(xù)的24小時(shí)實(shí)時(shí)溫度測量。溫度曲線表明，夜間環(huán)境溫度較低，而白天環(huán)境溫度相對較高。（B）PCMRC的工作原理。（C）PCMRC的實(shí)物圖及其雙層結(jié)構(gòu)。 


圖2. 輻射制冷材料的光譜表征。（A）RC和PCMRC在太陽光譜范圍內(nèi)的光譜反射率。（B）RC和PCMRC在中紅外波長范圍內(nèi)的光譜發(fā)射率。 


圖3. 輻射制冷材料在戶外的制冷性能。（A）2022年4月4日至5日在深圳進(jìn)行室外測量期間的環(huán)境、RC 和 PCMRC 的溫度。（B）環(huán)境與 RC/PCMRC 在日間的溫差。（C）環(huán)境與 RC/PCMRC 在夜晚的溫差。 


圖4. 凈制冷功率的計(jì)算。RC在白天（A）和夜間（B）環(huán)境溫度為298K時(shí)，在不同非輻射傳熱系數(shù)（hnon-radiative）條件下的凈制冷功率。PCMRC在白天（C）和夜間（D）環(huán)境溫度為298K時(shí)，在不同非輻射傳熱系條件下的凈制冷功率。 


圖5. 輻射制冷材料的熱性能。在加熱板上，STRC和PCMRC的表面溫度（A）和紅外圖像（B）。在制冷板上，STRC和PCMRC的表面溫度（C）和紅外圖像（D）。


  該成果以“Phase Change Material Enhanced Radiative Cooler for Temperature-Adaptive Thermal Regulation“為題發(fā)表在《ACS Nano》上。南方科技大學(xué)孫大陟副教授和香港理工大學(xué)王鉆開教授為該論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)與香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生楊猛為該論文第一作者。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c11916

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