具有超快光学调制的被动辐射冷却智能窗

来源 | Advanced Functional Materials

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背景介绍

被动辐射冷却(PRC)材料能够在零能量输入的情况下，通过8~13 μm范围内的大气透明窗口持续向寒冷的外太空散热，有利于降低全球能耗，因而在建筑制冷、人体热量管理、光伏设备制冷、发电和水回收等领域具有广阔的应用前景。目前，超材料、无机多层结构、纳米粒子嵌入结构、多孔聚合物薄膜等均被设计用于PRC领域，并且获得了高效的PRC效率。为了应对多变的天气，制冷效率的动态调节显得尤为重要，但目前仅有少数能够通过温度或液体浸润来实现PRC效率调节的相关报道。然而，这些动态PRC材料的响应性因素在现实环境中具有不可预测性以及不稳定性，且切换速度非常有限。为了满足实际应用的要求，实现PRC材料冷却效率的超快和稳定按需控制是极其必要的，但具有挑战性。

聚合物分散液晶(PDLC)内部呈现多孔结构，通过电场能够对液晶微滴与聚合物基质间的折射率匹配性进行调节，从而实现薄膜光学性能变化。由于制备简单且成本低，PDLC在动态光学调节窗、建筑墙壁、投影屏幕等方面得到了广泛的应用。实际上，PDLC的聚合物基体在红外区域具有特殊的化学键振动，有望在大气窗口范围内产生稳定的红外热发射，这在过去的研究中显然被忽视了，有待于进一步的探索。

中国PDLC薄膜的工作原理示意图

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成果掠影

近日，北京大学杨槐教授与湘潭大学谢鹤楼教授合作，通过分子设计，在传统的PDLC基体中引入具有中红外发射能力的可聚合单体并调控基体的微观结构，首次提出了一种电控PRC智能窗，在单一薄膜中同时实现了被动辐射冷却和太阳光调制。

通过给定电压控制入射太阳光的总量，以毫秒级的响应能力实现了热量的按需多级管理 。该工作有望为先进光学器件和节能设备的设计提供新的启示。

相关研究成果以“

Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling Smart Windows with Synergistic Optical Modulation”为题发表于《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1 a)中国PDLC薄膜的制备工艺示意图。b)用于制备PRC PDLC薄膜的中红外发射单体的吸收光谱。c)中华人民共和国PDLC薄膜的横断面扫描电镜图像

图2 不同交联剂含量对PRC PDLC薄膜电光性能和形貌的影响

 

图3 中国PDLC薄膜的光学性能

 

图4 a)交联剂含量和膜厚度对8-14μm范围内综合发射率的影响。b)A3-50μm随大气透明窗口的发射率曲线。c)PRC PDLC薄膜A3的吸光度光谱，在大气透明窗口内显示出多重化学吸收。铝箔和PRC PDLC膜分别在d)30°C、e)35°C、f)40°C时的红外图像

图5 在关闭状态下的被动辐射冷却性能

图6 a)PRC PDLC薄膜A3-50 μm和普通玻璃在不同电压下的记录温度参考，实现了按需和多级热调节。b)PRC PDLC膜A3-50 μm与其他报道的具有动态调制能力的冷却材料的响应时间和ΔTsol的比较。响应时间表示整个切换过程。c)在10天户外试验前后，中国PDLC薄膜A3-50 μm的照片。d)PRC PDLC薄膜经10天户外试验后，A3-50 μm的离态太阳透射率和红外发射率曲线