一种高辐射制冷性能的双选择型热发射体

来源 | Nature Communications

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背景介绍

在过去的十年里，白天辐射冷却(RC)取得了巨大的发展，它在阳光下实现了亚环境冷却，而不消耗任何能源和排放温室气体。因此，它是传统的能源密集型冷却系统的一个有前途和可持续的替代方案。日间RC材料的亚环境冷却能力源于其通过大气透明窗口向寒冷的外层空间发射热量(作为热发射器)的能力，同时拒绝太阳辐射(具有高太阳反射率)。各种高效的热辐射体已经被开发出来，作为建筑和个人热管理的日间RC材料。根据中红外(MIR)波段的光谱响应，这些热发射体主要可分为非选择性热发射体和选择性热发射体。非选择性热发射体在整个MIR波段表现出高吸收/发射，而选择性热发射体仅在8-13 μm大气窗口(定义为单选择性RC材料)表现出高吸收/发射，在其余的MIR波段表现出高反射。研究表明，与非选择型热发射体相比，单选择型发射体具有更优的亚环境制冷性能，原因是选择型发射体可以排除大气寄生热（来自大气层的加热效应）。然而，根据干旱环境中模拟计算（图1c-e）可知，该结论仅在不考虑非辐射热（主要指热对流）的理想环境或接近理想的低对流环境成立。而在大多数实际环境中，单选择型热发射体的制冷性能会剧烈降低，相比非选择型发射体的制冷优势并不明显，甚至可能更差，这显然限制了辐射制冷材料的实际应用。

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成果掠影

近日，清华大学化工系张如范课题组在辐射制冷材料研究方面取得重要进展。该文设计并制备了一种可以同时利用两个大气窗口（8–13 μm和16–25 μm）来降温的双选择型（Dual-selective）热发射体作为高性能辐射制冷材料，并证明其在干旱炎热气候下具有明显优于现有典型辐射制冷发射体的亚环境制冷性能（指降温到环境温度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了辐射制冷技术的降温潜能，为其大规模实际应用提供了可能。此外，当在双选择型热发射体样品表明覆盖不同颜色的彩色PE膜后，样品仍体现出很高的亚环境制冷性能（如红色和黄色），且明显优于彩色化后的商业涂料。表明双选择型材料还具有很高的彩色兼容性，有助于促进辐射制冷材料的大规模实际应用。本工作从理论上提出并从实验上实现了一种具有更高制冷性能且可拓展的辐射制冷设计，也为将来设计更多高效热管理材料提供了新的思路。研究成果以“A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance”为题发表在《Nature Communications》。

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图文导读

图1. 双选择辐射制冷模型的建立和理论计算。

图2.双选择型辐射制冷热发射体的分子-结构设计与性能表征。

图3. 双选择型热发射体在沙漠环境下的制冷性能测试。

图4. 双选择型热发射体制冷功率测试，以及与常见商品屋顶材料的制冷性能比较。

图5. 双选择型热发射体的彩色化和彩色兼容性研究。

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