文獻(xiàn)前沿丨Small：用于封閉空間透明輻射冷卻的柔性自清潔Janus輻射器

隨著全球?qū)?jié)能降耗需求的日益迫切，被動輻射冷卻技術(shù)因其零能耗、可持續(xù)的特性成為研究熱點(diǎn)。然而，在車窗、建筑幕墻等需要保持透明的應(yīng)用場景中，傳統(tǒng)透明輻射冷卻器（Transparent Radiative Cooler，TRC）雖能透過可見光，卻難以解決封閉空間內(nèi)因溫室效應(yīng)導(dǎo)致的熱量積聚問題。為解決上述難題，本研究提出并制備了一種具備Janus結(jié)構(gòu)的透明輻射冷卻器（the Janus Transparent Radiative Cooler，JTRC）。該器件采用三明治式結(jié)構(gòu)，頂部為乙烯四氟乙烯（ethylene tetrafluoroethylene，ETFE）選擇性發(fā)射層，確保其在大氣窗口（8–13 μm）的高效散熱；中間為經(jīng)光學(xué)優(yōu)化的TiO?/Ag/TiO?介質(zhì)-金屬-介質(zhì)復(fù)合紅外反射層（結(jié)合布拉格反射器），在不犧牲可見光透過率的前提下，實現(xiàn)了高達(dá)80%的近紅外反射率，有效阻擋外部熱輸入；底部為PDMS寬帶發(fā)射層，其紅外吸收率達(dá)93.7%，可高效吸收封閉空間內(nèi)積累的熱量。戶外實測結(jié)果表明，在封閉空間內(nèi)，JTRC可將內(nèi)部溫度降至比傳統(tǒng)透明輻射冷卻器低20°C，比僅具有紅外反射功能的樣品低7°C，首次在保持透明的同時實現(xiàn)了對溫室效應(yīng)的有效抑制。此外，通過自組裝單分子層修飾，器件表面水接觸角提升至125°，賦予了其自清潔功能；經(jīng)摩擦與紫外老化測試后，其光學(xué)及熱輻射性能保持穩(wěn)定。該器件結(jié)構(gòu)簡單、柔性可彎曲、易于規(guī)模化制備，在汽車天窗、建筑玻璃幕墻等需兼顧透明與熱管理的封閉空間場景中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以Flexible Self-Cleaning Janus Emitter for Transparent Radiative Cooling in Enclosed Spaces為題發(fā)表于Small期刊。

本文圍繞解決封閉空間內(nèi)透明輻射冷卻的溫室效應(yīng)難題，設(shè)計并制備了具有Janus三層結(jié)構(gòu)的柔性透明輻射冷卻器（圖1a-g）。首先，對紅外反射器中的TiO?/Ag/TiO?介質(zhì)-金屬-介質(zhì)層及SiO?/TiO?布拉格反射器厚度進(jìn)行優(yōu)化，在不犧牲可見光透過率的前提下最大化近紅外反射率（圖2a-f）。基于優(yōu)化參數(shù)，依次在ETFE薄膜上沉積紅外反射多層膜并澆注PDMS作為底部寬帶發(fā)射層，成功制備了SE、SE-IR及JTRC三種樣品（圖3a）；SEM圖像揭示了紅外反射器的多層結(jié)構(gòu)（圖3b）。光譜測試表明，JTRC在可見光波段透過率約60%，近紅外反射率達(dá)79.6%（圖3c）；在長波紅外區(qū)域，其頂部大氣窗口發(fā)射率為71.2%，底部寬帶發(fā)射率高達(dá)93.7%，實現(xiàn)了Janus雙面功能（圖3d）。理論計算顯示，JTRC因大幅降低太陽熱輸入，其平衡溫度較SE低約60K（圖4a-c）；全球氣候數(shù)據(jù)分析表明，JTRC在世界多數(shù)地區(qū)具有正冷卻功率，尤其在利雅得等高輻照度區(qū)域優(yōu)勢顯著（圖4d-e）。戶外實測中，首爾地區(qū)JTRC使封閉空間內(nèi)部溫度較SE降低11.2°C，較SE-IR降低4°C（圖5a-d）；利雅得實測中最大降溫幅度達(dá)20°C。通過自組裝單分子層修飾，JTRC表面水接觸角從90°提升至125°，且光學(xué)與熱輻射性能保持不變（圖6a-e）；經(jīng)摩擦與紫外老化測試后，其光譜特性、發(fā)射率及疏水性均無明顯衰減（圖6f-i）。結(jié)果表明，該器件可見光透過率~60%、近紅外反射率~80%、底部發(fā)射率>90%，戶外實測最高降溫20°C，且兼具自清潔與機(jī)械/紫外穩(wěn)定性，為封閉空間透明輻射冷卻提供了有效解決方案。

圖1.Janus透明輻射冷卻器（JTRC）的概念與設(shè)計。a)JTRC的結(jié)構(gòu)示意圖，由選擇性發(fā)射體（SE）、由介質(zhì)/金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)和布拉格反射器構(gòu)成的紅外反射器，以及寬帶發(fā)射體（BE）組成。該器件能透過可見光、反射近紅外光、在大氣窗口（AW）具有高發(fā)射率，并能從下方的封閉空間吸收熱量。b)JTRC的理想透過率和反射率光譜，淺橙色陰影區(qū)域表示來自標(biāo)準(zhǔn)直接光譜（AM 1.5D）的光譜輻照度。c)大氣窗口（AW，藍(lán)色陰影區(qū)域）和d)黑體輻射（深橙色陰影區(qū)域）范圍內(nèi)的理想發(fā)射率光譜。e)SE（僅ETFE）冷卻器、f)SE-紅外反射器（ETFE和紅外反射器）冷卻器以及g)JTRC（SE、紅外反射器和BE）分別作用于封閉空間的示意圖和工作原理。

圖2.紅外反射器的優(yōu)化。a)在Ag層厚度固定為22 nm時，兩個TiO?層（D1和D2）厚度變化下的T?VIS和bR?NIR的模擬等高線圖。c)優(yōu)化后的TiO?/Ag/TiO?結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性光譜。d)在D1為30 nm、Ag為22 nm、D2為29nm的條件下，SiO?和TiO?層（D3和D4）厚度變化下的T?VIS和e)R?NIR的模擬等高線圖。f)優(yōu)化后的TiO?/Ag/TiO?/SiO?/TiO?結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性光譜。ETFE薄膜和PDMS的折射率設(shè)為1.4。

圖3.a)制備的三個輻射冷卻器樣品的光學(xué)照片（每個尺寸為5cm×5cm）。標(biāo)識的使用已獲得浦項科技大學(xué)和高麗大學(xué)的許可。b)紅外反射器的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（比例尺：100nm）。c)三個制備樣品的太陽光譜。d)三個制備樣品的長波紅外光譜。

圖4.SE和JTRC在封閉空間上的輻射冷卻性能。a)SE（虛線）和JTRC（實線）的熱通量；b)當(dāng)hcc=8Wm?2 K?1時的冷卻功率Pcool；c)不同hcc下冷卻功率為零時的平衡溫度；d)全球太陽輻照度氣候數(shù)據(jù)庫，包括六個選定城市；e)SE與JTRC在全球范圍內(nèi)的冷卻性能差異，包括六個選定城市。該計算基于NASA蘭利研究中心（LaRC）POWER項目提供的2022年7月平均地表溫度和太陽輻照度數(shù)據(jù)，該項目得到NASA地球科學(xué)/應(yīng)用科學(xué)計劃的支持。

圖5.戶外溫度測量。a)測量系統(tǒng)的示意圖和b)照片。c)2024年9月24日在韓國首爾測得的溫度數(shù)據(jù)曲線。d)上午11點(diǎn)至下午1點(diǎn)之間每個樣品的平均溫度。

圖6.a)經(jīng)過自組裝單分子層（SAM）涂層處理前后，JTRC的水接觸角（WCA）。b)正面和c)背面在SAM涂層處理前后的反射率與透過率。d)正面和e)背面在SAM涂層處理前后的發(fā)射率。f)JTRC的耐久性測試流程。經(jīng)過耐久性測試后，JTRC的g)反射率與透過率、h)發(fā)射率以及i)水接觸角（WCA）。

小結(jié)：本研究提出了一種Janus透明輻射冷卻器件，它由三個關(guān)鍵部分組成：在大氣窗口具有高發(fā)射率的SE、用于實現(xiàn)高太陽光反射率的紅外反射器，以及用于在封閉空間內(nèi)高效吸熱的BE。該紅外反射器采用了集成布拉格反射器的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并經(jīng)過優(yōu)化，能夠選擇性地增強(qiáng)可見光譜范圍內(nèi)的透明度，同時有效阻隔太陽光譜中的近紅外波段。該設(shè)計在保持透明性的同時實現(xiàn)了有效的冷卻性能。具體而言，JTRC的可見光透過率約為60%，近紅外反射率約為80%。JTRC還解決了傳統(tǒng)透明輻射冷卻器的若干局限性。傳統(tǒng)透明輻射冷卻器會因溫室效應(yīng)導(dǎo)致封閉空間內(nèi)熱量積聚，而JTRC通過集成BE來減輕內(nèi)部熱量累積并提升整體冷卻性能，相較于傳統(tǒng)透明輻射冷卻器，實現(xiàn)了最高達(dá)20°C的降溫。其柔韌性使其能夠應(yīng)用于各種表面，從而拓寬了其實用范圍。此外，JTRC的自清潔特性有助于通過防止灰塵和污染物積聚來維持長期的冷卻效率，在全球范圍內(nèi)具備巨大的實際應(yīng)用潛力。

論文信息：Junkeyeong Park, Hangyu Lim, Harit Keawmuang, Dongwoo Chae, Heon Lee, Junsuk Rho. Flexible Self-Cleaning Janus Emitter for Transparent Radiative Cooling in Enclosed Spaces. Small, 2025, 21, 202501840.

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