郑州大学王建峰/王万杰 Small/Nano Energy：熔融加工一步原位成型分级多孔聚合物纳米复合材料实现高温环境辐射制冷

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近日， 郑州大学材料科学与工程学院王建峰副教授 / 王万杰教授团队 提出了一种环保、低成本的加工 方法 —利用普适的熔融加工工艺，在无溶剂条件下实现多孔聚合物纳米复合材料的原位制备。研究人员选用聚偏二氟乙烯 - 六氟丙烯共聚物作为基体，加入廉价且环保的碳酸氢钠（ NaHCO₃ ）粉末 ， 在高温条件下， NaHCO₃ 发生热分解，释放出二氧化碳形成微孔（ 平均尺寸 约 2.72  μm ），同时转化为碳酸钠（ Na₂CO₃ ）纳米颗粒均匀分散于聚合物基体内（ 平均尺寸 约 228  nm ），从而构筑出微孔与纳米颗粒相结合的分级结构 。该策略 不仅避免了溶剂使用带来的环境污染，还可调控材料内部孔隙率和纳米颗粒的分布情况 ， 赋予 复合 材料高太阳反射率（ 94.2% ）和高中红外发射率（ 94.5% ），实现优异的被动辐射 制冷 性能。户外测试表明， 复合材料（ FPCS ） 在高温环境下可使温度下降约 6.8°C ，在极端高温（ >52°C ）条件下仍保持 2.0°C 的降温效果 ，展示了其在高温条件下的应用潜力 。此外， FPCS 在零度以下的环境中也能实现高效的亚环境 降温，在建筑节能、冷却水、防止冰川融化等场景中展现较好的冷却效果。通过模拟实验进一步验证了 FPCS 在全球范围内的节能潜力，其可显著降低冷却能耗。 本研究通过 熔融加工 一步 法原位构筑 微孔与纳米颗粒相结合的分级结构，制 得 高反射、高发射的多孔聚合物 辐射制冷 纳米复合材料 ，制备过程 环境友好、成本低 且易 规模制造 ，为制备辐射制冷高分子复合材料提供了新方法 。 该 研究以 “ Melt-processed, one-step, in-situ hierarchically structured porous polymer nanocomposite for radiative cooling in hot weather ” 为题发表 在 《 Small 》上（ doi/ 10.1002/smll.202500020 ）。

图 1 . (a) FPCS 的制备过程示意图及其基于熔融加工原位形成微孔 / 纳米颗粒分级结构的基本机制。 (b) 熔融加工制备的 FPCS 。 (c, d) FPCS 的 SEM 图。 (e) FPCS 的能量色散谱（ EDS ）元素分布图。 (f) 不同孔径微孔的散射效率对比。 (g) FPCS 内原位形成微孔的散射效率。 (h) FPCS 内原位形成 Na₂CO₃ 纳米颗粒的散射效率。 (i) 在不同入射角下的太阳反射率变化。 (j) FPCS 在 0.3 至 20 μm 波段的实测太阳反射率及中红外发射率光谱。

图 2. (a) 户外辐射冷却实验装置示意图。 (b) 户外辐射冷却实验装置实物图。 (c) 连续 24 小时太阳辐照强度实时监测曲线。 (d) 连续 24 小时相对湿度实时监测曲线。 (e) FPCS 温度变化实时监测曲线。 (f) 白天正午时 FPCS 理论冷却功率。 (g) 夜间 FPCS 理论冷却功率。 (h) 不同聚合物辐射制冷材料的溶剂使用情况、光谱特性及冷却功率性能对比。

图 3. (a) 户外蓄冰实验装置示意图。 (b) FPCS 腔室、金属腔室及环境温度在连续 4 小时内的实时监测温度曲线。 (c) FPCS 腔室与金属腔室内冰质量损失曲线。 (d) 连续 4 天实验后 FPCS 覆盖的冰雪与裸露冰的状态变化对比实物图。 (e) 户外水冷实验的实时温度监测。 (f) 正午时段连续 4 小时内冷却水温度及太阳辐照强度的实时监测曲线。 (g) FPCS 在水冷过程中实时监测的冷却功率变化。

图 4. (a) FPCS 在炎热天气条件下进行连续 72 小时户外冷却实验。 (b) FPCS 与环境温度的温差对比。 (c) 白天 FPCS 的实时辐射冷却功率。 (d) 夜间 FPCS 的实时辐射冷却功率。 (e) 在全球范围内覆盖 FPCS 的建筑节能能力模拟结果。 (f) FPCS 在 10 个代表性国家和地区的冷却节能效果及节能效率对比。 (g) 全球不同地区建筑外表面覆盖 FPCS 后的二氧化碳排放减少潜力。 (h) 10 个代表性国家和地区电力节能效率分析。

此外 ，为解决 传统纺织品热调节能力有限， 难以 在 高温高湿 气候条件下实现热舒适 的问题 ， 该团队 开发 了 在高湿度、高温和透气条件下表现出卓越冷却性能的 具有 分层 核壳 微 / 纳米结构的相变氟化聚氨酯 - 氮化硅透气 纤维纺织品 （ PFSM ） ， 用于炎热和潮湿条件下个人冷却降温和热舒适管理 。 PFSM 由聚乙二醇核和通过同轴静电纺丝制备的聚氨酯 /Si ₃ N ₄ 壳组成。 PFSM 纺织品具有高太阳反射率（ 91% ）、高红外发射率（ 92% ）、高导热率（ 4.504 W m ^-1 K ^-1 ）和增强热函（ 43.3 J/g ），集辐射冷却、相变和热传导于一体。与传统棉 织物 相比，在环境温度 28.2℃ 、湿度超过 50% 的 日间 湿热条件下， PFSM 纺织品 可使 人体皮肤温度下降 10.7℃ 。此外， PFSM 纺织品具有透气性、良好的生物相容性、优异的热诱导形状记忆效应，有助于其在各种场景中个人热管理应用 ， 为高温高湿环境下实现皮肤透气 降温热舒适 提供了可行策略。相关成果以 “Hierarchically core-shell nanofiber textiles for personal cooling in hot and humid conditions” 为题发表在《 Nano Energy 》上 （ doi/ 10.1016/j.nanoen.2024.109400 ） 。

图 1. (a) 集 太阳光反射、选择性热辐射发射、热传导和 PCM 储热 于一体 的热调节功能 PFSM 纺织品示意图。 (b) PFSM 制备过程示意图。

图 2 . PFSM 的形态和光学特性。 (a) 同轴静电纺丝制造的 PFSM 实物照片。 (b) PFSM 膜的 SEM 图。 (c) 膜纤维直径统计分布。 (d) PFSM 的能量色散光谱映射图。 (e) 90 ℃水洗 48 小时处理的核壳结构相变复合纤维的 SEM 图。（ f ） PFSM 纤维的 TEM 图。 (g) PFSM 的复光谱折射率 (n+ i κ ) 。 (h, i) PFSM 的模拟太阳散射效率。 (j) PFSM 的 FTIR 光谱。 (k) PFSM 的 HBIR 发射率。 (l) PFSM 太阳光反射率。

图 3 . PFSM 的热性能。 PFSM 的 DSC 加热 (a) 和冷却 (b) 曲线、熔化和凝固焓 (c) 以及温度 (d) 。 (e) 第 50 次熔融 - 凝固循环后的 DSC 曲线。 (f) PFSM 的导热率。 (g) PFSM 和 PEG@FPU 膜从临时弯曲形状恢复到原始直形的实物照片。 (h) PFSM 和 PEG@FPU 的形状恢复率随着恢复时间的增加而变化 。

图 4 . （ a ）不同材料对志愿者前臂的皮肤刺激结果示意图：（ 1 ）棉、（ 2 ）渗透性 PTFE 薄膜、（ 3 ）非渗透性 PTFE 薄膜、（ 4 ）非渗透性 FPU 薄膜、（ 5 ）透气 FPU 薄膜和（ 6 ） PFSM 薄膜。 (b) PFSM 透气性演示。 PFSM 的空气渗透率 (c) 和水分渗透率 (d) 。 (e) PFSM 在卷曲、折叠和打结条件下（上）以及形状恢复前后（下）的实物照片。 (f) FPU 、 PEG@FPU 和 PFSM 的应力 - 应变曲线。 (g, h) FPU 、 PEG@FPU 和 PFSM 的 DMA 曲线： (g) 储能模量 (E') 、 (h) tan δ 与温度的关系 。

图 5 . PFSM 的冷却性能。 (a) 用于测试室外冷却性能的装置的示意图和实物图。 (b, d, f) 棉花、模拟裸露皮肤、 FPU/ Si ₃ N ₄ 、 PFSM 和环境空气以及太阳辐照度的温度数据。 (c, e, g) PFSM 与模拟裸露皮肤、棉花、 FPU/Si ₃ N ₄ 在不同湿度水平下的温度差异。 (h) 在棉花和 PFSM 纺织品上方和下方使用热电偶的室内冷却性能。 (i) 裸露皮肤、棉花和 PFSM 的平衡稳定温度。穿着棉布（左）和 PFSM （右）的人在室外环境中的 (j) 光学照片和 (k) 红外图像 。

图 6 . PFSM 在便携式电子设备中的实际冷却应用。 (a) 裸电子设备和 (b) PFSM 覆盖电子设备的工作原理示意图。 (c) 冷却电子设备的实验装置示意图。 (d) 实时监测覆盖有 PFSM 裸机备用便携式充电器的温度曲线和太阳辐照度。 (f) 实时监测 PFSM 的温度曲线和太阳辐照度，覆盖裸露的便携式充电器连接到电子设备进行充电。 (e, g) 在不同湿度条件下 PFSM 与充电器的温差。 (h) 手机屏幕覆盖 PFSM 的照片。 (i) 阳光直射下快速充电不同时间，覆盖 PFSM 的手机屏幕热像图 。

近年来，郑州大学王建峰副教授 / 王万杰教授团队面向国民经济与国防安全重大需求，围绕热在辐射过程中的科学问题，聚焦 热辐射操控高分子功能复合材料 开展系列研究，通过多尺度形态结构设计和微纳加工复合成型，调节高分子材料在紫外 - 可见 - 近红外 - 中红外波段 （ 0.3-2 0 μm ） 的光谱发射 / 吸收 / 反射特性，构筑了具有可见光透明 / 不透明低红外发射、低红外发射 / 高太阳吸收、高红外发射 / 高太阳反射、高红外发射 / 高太阳吸收等光谱特性的系列热辐射操控高分子功能复合材料，实现高效辐射热管理，探索了其在 热辐射伪装与红外隐身 （ Adv. Funct. Mater. 2025, 202421347 ； J. Mater. Chem. A, 2025, 13, 8654 ； Mater. Horiz., 2023, 10, 235 ； Nano Res. 2023, 16, 3326 ； Nano Energy 2022, 97, 107177 ； ACS Nano 2021, 15, 11396 ； Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101381,etc ）、 辐射加热与制冷 （ Adv. Sci. 2024, 11, 202308200 ； ACS Nano 2023, 17, 2029 ； Small 2025, 2500020 ； Nano Energy 2024, 123, 109400 ； J. Mater. Sci. Technol. 2023, 133, 32; Compos. Part A. 2023, 164, 107311; Compos. Part A. 2022, 156, 106883, etc ）等方面的应用。以上研究得到国家自然科学基金、中原科技创新青年拔尖人才、河南省优秀青年基金、中国博士后特别资助、河南省联合基金优势学科培育项目、河南省科技攻关与重点研发专项、郑州大学优秀青年人才创新团队等项目支持。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/ 10.1002/smll.202500020

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109400

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