具有超快光學(xué)調(diào)制的被動輻射冷卻智能窗

來源|Advanced Functional Materials

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背景介紹

被動輻射冷卻(PRC)材料能夠在零能量輸入的情況下，通過8~13 μm范圍內(nèi)的大氣透明窗口持續(xù)向寒冷的外太空散熱，有利于降低全球能耗，因而在建筑制冷、人體熱量管理、光伏設(shè)備制冷、發(fā)電和水回收等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，超材料、無機(jī)多層結(jié)構(gòu)、納米粒子嵌入結(jié)構(gòu)、多孔聚合物薄膜等均被設(shè)計用于PRC領(lǐng)域，并且獲得了高效的PRC效率。為了應(yīng)對多變的天氣，制冷效率的動態(tài)調(diào)節(jié)顯得尤為重要，但目前僅有少數(shù)能夠通過溫度或液體浸潤來實現(xiàn)PRC效率調(diào)節(jié)的相關(guān)報道。然而，這些動態(tài)PRC材料的響應(yīng)性因素在現(xiàn)實環(huán)境中具有不可預(yù)測性以及不穩(wěn)定性，且切換速度非常有限。為了滿足實際應(yīng)用的要求，實現(xiàn)PRC材料冷卻效率的超快和穩(wěn)定按需控制是極其必要的，但具有挑戰(zhàn)性。

聚合物分散液晶(PDLC)內(nèi)部呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，通過電場能夠?qū)σ壕⒌闻c聚合物基質(zhì)間的折射率匹配性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)薄膜光學(xué)性能變化。由于制備簡單且成本低，PDLC在動態(tài)光學(xué)調(diào)節(jié)窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應(yīng)用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區(qū)域具有特殊的化學(xué)鍵振動，有望在大氣窗口范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的紅外熱發(fā)射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進(jìn)一步的探索。

中國PDLC薄膜的工作原理示意圖

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成果掠影

近日，北京大學(xué)楊槐教授與湘潭大學(xué)謝鶴樓教授合作，通過分子設(shè)計，在傳統(tǒng)的PDLC基體中引入具有中紅外發(fā)射能力的可聚合單體并調(diào)控基體的微觀結(jié)構(gòu)，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現(xiàn)了被動輻射冷卻和太陽光調(diào)制。

通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應(yīng)能力實現(xiàn)了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進(jìn)光學(xué)器件和節(jié)能設(shè)備的設(shè)計提供新的啟示。

相關(guān)研究成果以“

Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling SmartWindows with Synergistic Optical Modulation”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1 a)中國PDLC薄膜的制備工藝示意圖。b)用于制備PRC PDLC薄膜的中紅外發(fā)射單體的吸收光譜。c)中華人民共和國PDLC薄膜的橫斷面掃描電鏡圖像

圖2 不同交聯(lián)劑含量對PRC PDLC薄膜電光性能和形貌的影響

圖3中國PDLC薄膜的光學(xué)性能

圖4 a)交聯(lián)劑含量和膜厚度對8-14μm范圍內(nèi)綜合發(fā)射率的影響。b)A3-50μm隨大氣透明窗口的發(fā)射率曲線。c)PRC PDLC薄膜A3的吸光度光譜，在大氣透明窗口內(nèi)顯示出多重化學(xué)吸收。鋁箔和PRC PDLC膜分別在d)30°C、e)35°C、f)40°C時的紅外圖像

圖5 在關(guān)閉狀態(tài)下的被動輻射冷卻性能

圖6 a)PRC PDLC薄膜A3-50 μm和普通玻璃在不同電壓下的記錄溫度參考，實現(xiàn)了按需和多級熱調(diào)節(jié)。b)PRC PDLC膜A3-50 μm與其他報道的具有動態(tài)調(diào)制能力的冷卻材料的響應(yīng)時間和ΔTsol的比較。響應(yīng)時間表示整個切換過程。c)在10天戶外試驗前后，中國PDLC薄膜A3-50 μm的照片。d)PRC PDLC薄膜經(jīng)10天戶外試驗后，A3-50 μm的離態(tài)太陽透射率和紅外發(fā)射率曲線