隨著全球制冷能耗的持續(xù)攀升，無需外部能源輸入的被動日間輻射制冷（Passive daytime radiative cooling，PDRC）技術(shù)憑借其綠色、可持續(xù)的特性，引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)無機顆粒-聚合物復(fù)合材料存在明顯短板：太陽反射率受實心顆粒散射效率限制，且戶外耐久性欠佳，這些問題嚴(yán)重制約了其實際應(yīng)用。為攻克這一難題，本研究研發(fā)了一種具備中空-多孔協(xié)同結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜。該薄膜通過將中空TiO?納米顆粒（hollow TiO2 nanoparticles，HTPs）均勻地嵌入聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）基質(zhì)中，并利用蒸發(fā)誘導(dǎo)相分離工藝形成多孔表面結(jié)構(gòu)。該設(shè)計巧妙地整合了納米尺度的中空共振散射與微米尺度的多孔擴散散射機制，使得復(fù)合薄膜的太陽反射率高達94.7%、紅外發(fā)射率達95.3%，在戶外環(huán)境下可實現(xiàn)11.8℃的亞環(huán)境冷卻效果。同時，多孔結(jié)構(gòu)賦予其122.9°的高水接觸角，使其兼具出色的疏水抗污性能。經(jīng)紫外線照射、磨損等加速老化測試后，其光學(xué)性能依然保持穩(wěn)定。此外，該復(fù)合薄膜的制備工藝簡單可控，具備規(guī)模化生產(chǎn)的潛力。這種新型材料在建筑圍護結(jié)構(gòu)、交通運輸裝備、戶外電子設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它不僅能有效降低制冷能耗，還能提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性，為PDRC技術(shù)的實際規(guī)?；瘧?yīng)用提供了高效可行的解決方案，具有重要的工程應(yīng)用價值和環(huán)保意義。相關(guān)工作以Hollow TiO?-embedded PVDF films with synergistic optical selectivity and environmental durability for passive daytime radiative cooling發(fā)表于Composites Part B期刊。

本文圍繞提升被動日間輻射制冷材料的光學(xué)性能與環(huán)境耐久性，設(shè)計了中空TiO?嵌入多孔PVDF的復(fù)合薄膜。首先，文章展示了HTPs的合成路徑與薄膜制備流程（圖1a-b）；通過TEM與HRTEM圖像確認(rèn)了HTPs的中空結(jié)構(gòu)與結(jié)晶性（圖1c-d）；SEM圖像顯示HTPs/PVDF薄膜形成1–3μm的多孔結(jié)構(gòu)，與太陽光譜匹配（圖1f）；FTIR光譜揭示了PVDF分子振動帶來的高紅外發(fā)射特性（圖2a）；光譜測試表明HTPs/PVDF薄膜太陽反射率達94.7%，紅外發(fā)射率達95.3%（圖2b-c）；FDTD模擬揭示了中空結(jié)構(gòu)與多孔基質(zhì)在增強光散射中的協(xié)同作用（圖2d-f）；室內(nèi)太陽模擬實驗顯示出HTPs/PVDF薄膜比環(huán)境溫度低5.7°C（圖3a-b）；戶外實測中，該薄膜實現(xiàn)最高11.8°C的亞環(huán)境冷卻（圖3g-h）；車輛模型實驗表明，覆膜車頂比未覆膜車內(nèi)溫度低約8.5°C（圖4a-c）；耐久性測試顯示薄膜具備122.9°高接觸角、良好抗污性與機械穩(wěn)定性（圖4d-f）。結(jié)果表明，該薄膜太陽反射率94.7%、紅外發(fā)射率95.3%，最大亞環(huán)境冷卻11.8°C，且具備優(yōu)異的環(huán)境耐久性。

圖1.（a）HTPs合成示意圖。（b）HTPs/PVDF薄膜制備流程示意圖。（c）HTPs的TEM圖像與（d）HRTEM圖像。（e）HTPs/PVDF的光學(xué)照片與（f）SEM圖像。

圖2.（a）HTPs/PVDF、TPs/PVDF與PVDF薄膜的FTIR光譜；（b）PVDF、TPs/PVDF及HTPs/PVDF薄膜的太陽反射光譜與（c）紅外發(fā)射率光譜；（d）TPs與（e）HTPs的模擬散射效率；（f）孔隙結(jié)構(gòu)的模擬散射效率。

圖3.（a）室內(nèi)反射冷卻測量裝置示意圖；（b）薄膜加熱前后的紅外熱像圖；（c）實驗裝置示意圖與（d）實物照片；（e）記錄的環(huán)境濕度與風(fēng)速；（f）實時太陽輻照度；（g）PVDF、TPs/PVDF和HTPs/PVDF薄膜覆蓋腔體內(nèi)的空氣溫度記錄；（h）環(huán)境空氣與薄膜覆蓋腔體之間的溫度差異。

圖4.（a）車輛模型實景圖；（b）日光照射期間車輛模型內(nèi)部溫度記錄；（c）覆膜與未覆膜車輛模型內(nèi)部溫差；（d）PVDF與HTPs/PVDF薄膜表面水滴形態(tài)圖；（e,f）PVDF與HTPs/PVDF薄膜在水滴沖洗前后的表面狀態(tài)對比圖。

小結(jié)：本研究成功研制出一種具備多層次結(jié)構(gòu)的中空TiO?/PVDF復(fù)合薄膜，該薄膜借助兩種互補的光學(xué)機制展現(xiàn)出卓越的輻射制冷性能。其中，中空TiO?納米顆粒作為亞微米級共振散射體，能夠引發(fā)米氏共振以及空腔內(nèi)部反射，進而有效增強可見光波段的背向散射，同時抑制太陽光吸收；而通過相分離形成的多孔PVDF基質(zhì)，憑借其微米級互聯(lián)孔隙，可實現(xiàn)近紅外區(qū)域的多重散射以及光線角向的再分布。這種共振散射與擴散散射在多尺度上的協(xié)同效應(yīng)，使得該材料獲得了94.7%的寬譜帶太陽反射率和95.3%的中紅外發(fā)射率，在陽光直射條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)比環(huán)境溫度低11.8℃的制冷效果。除優(yōu)異的光學(xué)性能外，TiO?外殼還賦予材料出色的紫外線阻隔能力，多孔結(jié)構(gòu)則進一步提升了材料的疏水性與防污性能，保障其在戶外能夠長期穩(wěn)定運行。本研究證實，通過在不同尺度上合理耦合中空粒子的共振機制與多孔基質(zhì)的擴散機制，可為設(shè)計耐用、高效且可規(guī)模化生產(chǎn)的被動日間輻射制冷材料提供有效途徑。該研究為如何通過調(diào)控尺度依賴的散射模式來優(yōu)化聚合物基復(fù)合材料的輻射制冷性能提供了重要的理論支撐。

論文信息：Yuhan Zhang, Zhixin Sun, Ziqi Dong, Fangzheng Qi, Xiaodong Yang, Bo Xu, Guang-Ning Liu, Yiqiang Sun, Cuncheng Li. Hollow TiO?-embedded PVDF films with synergistic optical selectivity and environmental durability for passive daytime radiative cooling. Composites Part B, 2026, 310: 113180.

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