全球气温不断升高，导致对空调的需求增加，进而加剧了能源消耗和温室气体排放。被动辐射冷却（Passive Radiative Cooling, PDRC）作为一种零能耗、无需电力的制冷技术，近年来受到广泛关注。然而，现有研究主要集中在提升白天和高温条件下的冷却效果，忽视了过度冷却可能导致的夜间和冬季取暖需求增加。
近期，上海理工大学王彤特聘副研究员团队提出了一种基于室温自适应硅壳/油核相变微胶囊（S-PCMs）与纤维素纤维复合的微纳结构薄膜，该薄膜通过高效的太阳光反射、中红外辐射以及相变材料的储热与释热功能，实现了显著的日间冷却效果，并展现出优异的动态热管理能力，有效缓解了传统辐射冷却系统在寒冷时段过度冷却的问题。相关研究以“Adaptive Phase Change Microcapsules for Efficient Sustainable Cooling”为题目发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。
本文要点：
1、本研究将室温自适应二氧化硅壳/油芯相变微胶囊（S-PCMs）与市售纤维素纤维协同集成，开发了一种微纳结构的工程复合薄膜，用于高效可持续冷却。
2、所得复合薄膜的太阳反射率为0.92，中红外发射率为0.96，在炎热条件下，经阳光直射可实现平均7.5°C的日间亚环境冷却效果。
3、在达到相变温度时，S-PCMs会释放之前吸收和储存的热量，使得复合膜的温度升高，与周围空气相比，平均温差仅为3.0°C。
4、这种复合薄膜通过吸收、储存和释放热量适应环境变化，可有效缓解传统辐射冷却系统在冬季或夜间过度冷却的问题，有望为实际应用提供可持续的冷却技术，并显著节约能源、减少碳排放。
自适应相变微胶囊（S-PCMs）是通过一种简单有效的水包油（O/W）微乳液模板法制备的。主要步骤如下：
1、准备表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵，CTAB）、油相（十八烷）、四乙氧基硅烷（TEOS），以及水和乙醇。
2、将0.16g CTAB溶解在80mL水和乙醇的混合物（体积比：0.6）中，然后加入无水乙醇和油相（十八烷）的混合物，生成O/W微乳液作为模板。
3、间隔20min后，在上述微乳液中依次加入1mL氨水和0.67mL TEOS，剧烈搅拌并在30°C下反应6h，得到白色悬浮液。随后以8000rpm的转速离心10min。
4、为了获得介孔结构，样品用蒸馏水和无水乙醇多次洗涤，去除表面活性剂、残留的有机物和氨水，最后在50°C的热风烘箱中干燥，得到具有介孔结构的硅壳/油核相变微胶囊（S-PCMs）。
S-PCMs/纤维素复合薄膜如何实现辐射冷却和自适应热调节？
1.辐射冷却机制
高太阳光反射率（Solar Reflectance）：复合薄膜具有高达92的太阳光反射率，能够有效反射太阳光谱（0.3-2.5 μm）内的大部分能量，减少热量吸收，从而降低材料温度。
高中红外发射率（Mid-Infrared Emissivity）：薄膜在大气透明窗口（8-13 μm）范围内具有0.96的高发射率，能够将热量以中红外辐射的形式高效地散发到外太空，实现被动冷却。
2.自适应热调节机制
相变微胶囊（S-PCMs）的热管理：S-PCMs的核心材料（如十八烷）在室温附近发生相变（固态到液态或液态到固态）。当环境温度升高时，S-PCMs吸收热量并储存；当环境温度降低时，S-PCMs释放热量。这种相变过程通过潜热的吸收和释放，动态调节薄膜的温度，防止过度冷却或过度加热。
温度适应性：通过相变材料的吸热和放热特性，复合薄膜能够根据环境温度变化自动调节自身温度，实现自适应热管理。
通过上述两种机制，S-PCMs/纤维素复合薄膜不仅在白天高温条件下实现显著的冷却效果，还能在夜间或寒冷环境中避免过度冷却，从而实现高效、可持续的热管理。
图1 S-PCMs/纤维素复合薄膜用于辐射冷却和自适应热调节的概念设计。
图2 S-PCMs/纤维素复合薄膜的表征。
图3 S-PCMs/纤维素复合薄膜的光学性能。
图4 S-PCMs/纤维素复合薄膜的热管理性能。
图5在上海理工大学屋顶进行的S-PCMs/纤维素复合薄膜的户外实时冷却测试。
图6 S-PCMs/纤维素复合薄膜的照片、红外图像及其模拟节能效果。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c21885
