輻射冷卻技術作為一種無需能量輸入的被動冷卻方式，在應對電子器件散熱、建筑節能與個人熱管理等方面展現出巨大潛力。其核心機制在于反射太陽輻射并向外太空發射中紅外熱輻射以實現散熱。然而，現有多孔聚合物材料因太陽光反射效率不足及非輻射熱交換問題，難以適應多樣化應用場景，特別是在高于環境溫度的封閉空間中冷卻效果有限。為此，本研究提出一種“梯度交聯聚合策略”，成功制備出具有雙梯度結構（納米片濃度梯度與孔徑梯度）的多孔納米復合膜（GPNF）。該膜材料不僅實現了高達96.2%的太陽反射率，還表現出熱整流效應，其整流因子達30%，顯著增強了在不同溫度場景下的自適應輻射冷卻能力。相比傳統均勻多孔膜，該梯度膜在未加熱與自加熱密閉空間中分別實現了2.4 ℃與2.2 ℃的額外降溫效果，為多場景被動熱管理提供了新路徑。相關工作以Thermal-Rectified Gradient Porous Nanocomposite Film Enabling Multiscenario Adaptive Radiative Cooling發表在ACS Nano期刊。

本研究提出了一種梯度交聯聚合策略制備的雙梯度多孔納米復合膜（GPNF），通過施加電場誘導納米片（LNS）形成厚度方向上的孔徑與成分梯度結構（圖1）。結構分析表明GPNF20具有優異的加工性與力學性能，且從陽極到陰極呈明顯孔徑增大、LNS含量降低的雙梯度分布（圖2）。熱導率測試和仿真證實GPNF具有顯著的熱整流特性，沿密到疏孔方向（JDS）的熱導率顯著高于反方向（JSD）（圖3）。實驗測量與模擬揭示梯度孔徑結構使GPNF20在0.3–2.5 μm太陽光譜波段實現高達96.2%的太陽反射率（圖4）。此外，GPNF20在8–13 μm的大氣透明窗口表現出優異且角度無關的中紅外高發射率（圖5）。戶外實測及模型驗證表明，GPNF20在未加熱與自加熱的密閉空間中均表現出優于傳統材料的輻射冷卻性能，具有顯著的多場景自適應熱管理優勢（圖6）。

圖1. GPNF的制備流程示意圖：采用梯度交聯聚合方法實現厚度方向上LNS濃度和孔徑的雙梯度分布。

圖2. GPNF 的結構特征：(a) 各種尺寸的GPNF20；(b) 可切割成各種形狀的GPNF20；(c) 支撐其重量 1000 倍負載的GPNF20；(d) GPNF20的橫截面 SEM 圖像顯示了從陽極到陰極逐漸增大的孔徑，其虛線矩形區域的(e-g) 放大 SEM 圖像，描繪了相應的孔隙大小分布；(h) 帶有元素映射的GPNF20的 SEM 圖像；(i) 從GPNF20的完整橫截面進行線掃描獲得的 XPS 光譜；(j) 從陽極到陰極側的GPNF20內的 LNS 含量和孔隙大小。

圖3. GPNF 的熱整流特性：(a) GPNF 內的定向熱流示意圖；(b) GPNF 在JDS和JSD方向的熱導率；(c) 具有不同 LNS 含量 UPNF 的溫度相關熱導率；(d)熱臺上GPNF20的數碼照片和熱成像圖像，展示了JDS和JSD方向的熱傳遞；(e) GPNF 放置在熱板上時表面溫度隨時間的變化；(f) GPNF 的有限元分析顯示了沿JDS和JSD方向的熱傳遞趨勢。

圖4. GPNF 的太陽光散射特性：(a) GPNF 和 UPNF 對太陽光的多次散射示意圖；(b) GPNF20和 UPNF20的太陽反射光譜；(c) GPNF20的 CIE 色度坐標；(d) 在整個太陽光譜波段中，孔徑為0.5 至 5.0 μm 范圍內的模擬散射效率；在特定太陽光譜波長 (e) 0.5 和 (f) 2.5 μm 下，具有各種多孔結構的 GPNF 的近場電場分布；在特定太陽光譜波長 (g) 1 和 (h) 2 μm 下，GPNF20、UPNF-0.6、UPNF-2 和 UPNF-4 的電場分布。

圖5. GPNF 的中紅外發射性能：(a) GPNF 結構內化學鍵振動引發的紅外輻射示意圖；(b) PHEMA 和 LNS 的 FT-IR 光譜，其中淺藍色陰影區域表示大氣中紅外透明窗口；(c) GPNF20和 UPNF20的中紅外發射率對比，其中淺藍色陰影區域表示大氣透射率窗口；(d) GPNF20在 10° 至 80° 范圍內變化角度下的中紅外發射率；(e) GPNF20在大氣窗口內 10 至 80° 角度范圍內發射率的極坐標分布。

圖6. GPNF 的熱整流輻射冷卻性能：(a) GPNF 作為冷卻屋頂的潛在用途；(b) 使用GPNF 實現密閉空間在低于和高于環境溫度條件下的熱調控；(c) GPNF20與文獻報道的多孔結構輻射冷卻材料在熱導率、太陽反射率和中紅外發射率方面的對比；(d) 太陽輻射強度和GPNF20和 UPNF20的實時溫度變化（2023 年 9 月 5 日，中國上海）；(e) 未加熱房屋模型分別以鋁絕緣泡沫、GPNF稀疏-致密面（GPNFS-D）和GPNF致密-稀疏面（GPNFD-S）作為屋頂覆蓋材料，在日照條件下不同時間間隔的實物照片與熱成像圖；（f）自發熱密閉箱體（內置預熱熱電板）分別以鋁絕緣泡沫、GPNFS-D和GPNFD-S覆蓋頂部開口，在不同時間間隔的實物照片與熱成像圖。

小結：本文提出一種具有雙梯度結構的熱整流多孔納米復合膜GPNF，融合了高太陽反射率、高中紅外發射率及熱整流特性，突破了現有多孔輻射冷卻材料在不同溫度場景中的應用瓶頸。通過實驗與仿真驗證，GPNF可在日照下實現優異的多場景自適應冷卻性能，特別適用于未加熱與自加熱密閉環境。該研究用于推進高效多孔輻射冷卻材料的發展，為寬溫度范圍內的封閉環境提供熱整流輻射冷卻。

論文信息: Wang Y, Liu S, Zhang X, et al. Thermal-Rectified Gradient Porous Nanocomposite Film Enabling Multiscenario Adaptive Radiative Cooling. ACS nano, 2025.

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02609

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