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清华大学张如范课题组Adv. Funct. Mater.：面向建筑节能的电驱动动态多色彩光热调控材料

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-12-09 16:00

正文

▲第一作者：赵思名

通讯作者：张如范

通讯单位：清华大学化工系

论文DOI：10.1002/adfm.202419378（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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设计并制备了一种电驱动的动态辐射热调控材料（EDRTRM），该材料具有多种颜色，适用于全年建筑节能。EDRTRM能够动态且独立地调节太阳辐射和MIR区域，并展示了三种工作模式：加热模式、白色冷却模式和多种颜色冷却模式（蓝色、绿色）。EDRTRM的热调节能力显著提高，冷却和加热模式之间的功率差异为659 W/m²，温度调节范围高达11℃。EnergyPlus模拟表明，EDRTRM可以在季节性温度变化的城市中减少全年建筑能耗16.75 MJ/m²。这种设计不仅最大化了热调节能力，还满足了审美需求，显示出广泛的实际应用潜力。

背景介绍

全球能源消耗的增长不断增长，对能源供应以及二氧化碳排放控制提出了严峻的挑战。建筑能耗占全球总能耗的30%左右，并占据了全球温室气体排放的10%。其中，建筑能耗的40%以上用于供暖、通风和空调系统（HVAC）。预计未来二十年建筑能耗将继续增长，因此提高建筑的热调节能力以减少能耗至关重要。炎热季节，通过大气窗口（8-13微米）的被动日间辐射制冷是一种无需能耗和没有温室气体排放的新一代制冷技术。此外，在寒冷季节，降低建筑外表面的辐射率可以有效减少建筑内部的热量耗散，从而减少供暖能耗。然而，现有的基于固定热辐射率材料的静态热管理技术在动态多变的天气条件下往往导致过冷或过热，无法满足全年节能的需求，甚至可能增加总体能耗。因此，迫切需要开发一种能够适应不同气候条件变化和不同热需求的动态光热调控材料或设备。

研究出发点

对于多场景下的太阳辐射与热辐射的光谱性质需求进行分析，并对于电驱动相关材料的电化学过程进行分析，采用材料复合的策略实现多场景光热调控的需求。并采用实验与模拟结合的手段说明与探究相关材料的实际应用潜力与相关科学规律。

图文解析

首先，针对于不同环境下的需求，该团队对于所需材料在太阳辐射以及热辐射波段的光谱响应特性进行了精细的设计，所制备的材料在夏天需具有太阳波段的高反射率和中远红外波段的高发射率，尤其是对于彩色制冷状态，需要使其在近红外波段具有需要有高反射率，从而减少室外热量进入室内并增加室内热量向外发射；与此相反，所制备的材料在冬天需要具有太阳波段的高吸收率和中远红外波段的低发射率，从而增加对太阳辐射的吸收并降低室内的热量耗散。该研究团队选取红外波段透明的多色彩电致变色材料，普鲁士蓝（PB）作为多色彩调节器，选择在中远红外波段具有高调制率的可逆金属铜（Cu）纳米颗粒作为中远红外调制器，选取聚甲醛（POM）静电纺丝膜作为高太阳光反射基底以及中红外发射器。

图1. EDRTRM的光谱综合展示：（a）整体结构设计示意图，（b）多模态切换下的光谱响应示意图，（c）不同应用场景下的光谱特性需求示意图。

如图2（a-c）所示，研究团队巧妙地利用电致变色技术，包括普鲁士蓝的电致变色过程和铜颗粒的可逆金属电沉积过程，成功复合实现了光谱设计目标。在负电压下，材料显示出实现保温性能，而在不同的正电压下，材料可切换纯制冷态以及彩色制冷态。如图2（d-f）所进一步揭示，EDRTRM在太阳辐射波段的调制率可达到58.8%，在中远红外的调制率可达到50.2%，其共同调制幅度达到已报道文献中的最大值。

图2. EDRTRM的光学性质表征：（a）材料光谱响应的具体需求；（b）EDRTRM的切换过程以及数码照片；（c）EDRTRM应用于器件结构的数码照片；（d）EDRTRM在不同模式下的太阳辐射反射率；（e）EDRTRM在不同模式下的热辐射反射率；（f）EDRTRM太阳辐射与热辐射调制率与其他文献的对比。

为了进一步探究材料优异光学调控性能的原因，研究团队采用SEM、TEM、XPS等表征手段（图3(a-h)），并结合米氏散射理论（图3g）对所制备的材料进行了深入的研究。研究发现，普鲁士蓝在铜的电沉积过程中起到了成核位点的作用，促进了致密铜纳米颗粒薄膜的形成。这一结构优化显著提高了材料对太阳光的吸收率，降低了其中红外发射率，提升了电驱动热管理材料的调控性能。

图3. EDRTRM的微观形貌以及元素分析：（a）Cu/PB的SEM图；（b, c）Cu/PB的截面SEM图以及EDX-Mapping图；（d-f）Cu/PB的TEM表征图；（g）EDRTRM中Cu纳米颗粒与直接电沉积Cu纳米颗粒的XRD表征图；（h）EDRTRM中Cu纳米颗粒的XPS元素分析；（e）不同粒径Cu颗粒的米氏散射效率理论模拟。

如图4所示，研究团队进一步对所制备材料进行了户外实验，评估其光热调控能力。实验结果表明，该材料的最高温度调控幅度可达11 ℃。在夏季条件下，与传统屋顶材料相比，纯制冷态下的材料能够实现5~6 ℃的温降，并且在彩色制冷状态下也能够4~5℃的温降。冬季时，相较于传统的屋顶材料，该材料的制热态在白天可实现5 ℃左右的温升，并在夜间中展现出与建筑材料相当的保温能力。

图4. EDRTRM的实际热调控性能分析：（a）红外热成像装置示意图；（b, c）不同样品的红外热成像照片；（e）户外实验装置示意图；（f-i）不同样品的户外温度实验测试结果。

研究团队采用EnergyPlus进行了详细的能耗模拟计算。计算结果表明，与传统的屋顶材料相比，所开发的EDRTRM材料在季节性温度变化的城市中可以减少全年建筑能耗16.75 MJ/m²，并且在彩色制冷状态下也具有一定的节能能力。进一步的计算结果还证实了EDRTRM在多种气候带地区都具备良好的节能降耗的能力。

图5. EnergyPlus能耗模拟计算：（a）模式切换示意图；（b）不同屋顶材料的全年供暖供冷能源消耗量；（c）不同屋顶材料的供冷能源消耗量。

总结与展望

研究者通过合适的材料复合策略与微观形貌构建的策略实现了高性能电驱动的动态多色彩热调控材料的设计与制备。该材料可以满足多场景下的建筑节能需求（制冷与保温），具有良好的光热调控能力。作者团队还通过理论与实验结合的方式进一步揭示了微观形貌与光谱性能之间的关系，为之后的材料设计提供了理论指导。

作者介绍

张如范清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文121篇。申请发明专利20项；撰写学术专著7部。曾获中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、中国石油与化学工业联合会青年创新奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

课题组网站链接：

http://www.rufanzhang-group.cn

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