南京航空航天大学李秀强Advanced Materials:光谱选择性日间辐射冷却涂层

随着全球气候变化和城市化进程加快，建筑制冷能耗持续攀升，传统主动制冷技术依赖电力输入并产生大量温室气体排放，亟需发展无需外部能量输入的被动辐射冷却技术。现有辐射冷却材料虽在光谱调控方面取得进展，但多数依赖复杂的光子结构、高温烧结或不可再生石油基聚合物，且在城市密集环境中易受周边建筑和地面热辐射影响，冷却性能显著下降。针对上述问题，本文提出一种基于聚氟乙烯（PVF）的可扩展光谱选择性辐射冷却涂层，通过相转化法构筑微纳多孔结构并结合银反射基底，实现了97.5%的太阳反射率和94.4%的大气窗口（8–13 μm）选择性红外发射，光谱选择性指数达1.37。该涂层在模拟城市峡谷环境中比宽带发射器低1.9 °C，并具备优异的自清洁、耐候性、基底适配性和可规模化制备能力，为城市可持续降温提供了可行路径。相关工作以Spectrally selective daytime radiative cooling coating为题发表在Advanced Materials期刊。

文章首先提出基于PVF和银基底的光谱选择性辐射冷却涂层（PVF-based radiative cooling emitter, PRCE），并说明其在大气窗口内的高发射率、优异的太阳反射率、光谱选择性指数1.37以及在城市环境中相较宽带发射器的综合优势（图1）。随后分析了材料的结构与光学机理，包括PVF的β相构象、C-F键振动模式、微纳多孔形貌及其通过相转化法形成的过程，同时通过FTIR、XRD、XPS、SEM和FDTD模拟确认了分子构型、结晶相、孔径分布和散射效率（图2）。接着测试了太阳反射率、红外发射率、理论制冷功率和室外降温效果，并在开放场地和建筑围合环境中验证了PRCE的亚环境冷却性能，同时对比了不同城市气候下的冷却功率（图3）。之后从冻融循环、砂纸磨损、酸碱浸泡、水流冲击和紫外辐照等方面评估了涂层的机械、化学和环境稳定性，并结合接触角、SEM和光学性能变化说明其耐久性和自清洁能力（图4）。最后，通过不同城市气候和建筑几何参数下的冷却功率模拟，讨论了PRCE在城市热岛缓解和建筑节能中的潜力与适用性（图5）。

图1.用于辐射冷却应用的光谱选择性与全向宽带发射器对比。(a)工作原理；(b)建筑物的光学及红外热成像图像；(c)理想宽带涂层与选择性涂层在露天条件下垂直表面的理论冷却功率；(d)城市环境（南京）条件下的模拟冷却功率；(e)与当前最先进的辐射冷却材料（陶瓷、薄膜及涂层）的性能对比。

图2. PRCE的光学与结构特性：(a) MIR波段PVF的功能基团选择；(b) PVDF-HFP 与PVF的FT-IR光谱；(c) XRD图谱；(d) C 1s XPS谱；(e) 由不同比例PVF溶液制备的PRCE的太阳反射率及MIR发射率光谱；(g) PVF的折射率(n)与消光系数(k)，插图为孔径分布；(h) PVF在UV-Vis_NIR波长范围内的理论散射效率。

图3. PRCE的性能与耐久性。(a)在不规则基材（1.34 m × 0.42 m）上大规模喷涂的涂层；(b)涂层形貌的SEM图像，插图显示水接触角（130.63°）；(c)穿刺胶带测试后的照片。(d)对铜、碳、木材和钢材基材的适用性。(e) 经过50次冻融循环及砂纸打磨前后光学性能变化；Rx/R0表示第x次循环后的太阳反射率与初始值之比。(f)在pH4、7和10溶液中浸泡15天后的光学性能。(g)流水冲击及紫外线照射18天后的太阳光反射率；(h) 水冲击及紫外线照射18天后的中红外发射率。

图4.不同环境条件下PRCE的性能特性分析。(a)开放环境测试装置示意图；(b)测试设备，插图显示三个样品的红外图像及放大视图；(c)太阳辐射强度与关键温度的变化趋势；(d)建筑封闭式测试装置示意图；(e)测试设备，插图显示红外图像；(f)太阳辐射强度与关键温度的变化情况；(g)两栋房屋（尺寸69 × 66 × 68厘米）原始屋顶与 PVF 涂层屋顶的可见光及红外照片；(i) 180分钟内太阳辐射强度与屋顶表面温度的变化曲线。

图5.城市几何参数对垂直表面视场因子及冷却功率的影响：(a)垂直建筑墙体的典型城市辐射热交换场景；(b)地形与天空视场因子随城市几何参数的变化关系；(c)四种辐射源类型的净冷却功率随城市几何参数的变化规律；(d–f)不同地理位置大气条件下墙体高度对冷却功率的影响：(d) 圣地亚哥（28 °C，10%相对湿度）；(e)北京（35 °C，30%相对湿度）；(f) 新加坡（31 °C，70%相对湿度）。

小结：为解决传统辐射冷却涂层在城市环境中因宽带热发射而吸收周边建筑和地面热辐射、导致净冷却性能严重下降的问题，文章提出了微纳多孔PVF与银反射基底复合的光谱选择性辐射冷却策略。研究首先通过优化PVF、丙酮和水的质量比（1:8:1.2），经相转化法喷涂成膜，形成具有全反式β相构象的微纳多孔结构，同时利用银基底增强太阳反射；干燥过程中溶剂与非溶剂交换诱导孔隙生成，孔径集中于1312 nm，有效增强米氏散射。所得PRCE涂层表现出97.5%的太阳反射率、94.4%的大气窗口（8–13 μm）选择性发射率和1.37的光谱选择性指数，理论冷却功率在城市密集环境中显著优于宽带发射器，实地测试在开放场地实现低于环境温度2.4°C，在模拟城市峡谷中比宽带发射器低1.9°C，并在实际屋顶演示中使表面温度降低10.2°C。力学与环境性能上，涂层经50次冻融循环、砂纸磨损、15天酸碱浸泡、水流冲击及18天紫外辐照后光学性能保持稳定，水接触角130.63°赋予自清洁能力，且适用于铜、碳、木材、钢等多种基材；制备工艺可规模化喷涂，展现出优异的耐久性、基材适配性和实际应用潜力。

论文信息：Jia, S., Wu, R., Zahra, S. M., Asfahan, H. M., Shao, S., Chen, M., Jiang, X., Guo, W., & Li, X. Spectrally selective daytime radiative cooling coating. Advanced Materials, e73578 (2026).

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