電子科大發表頂刊：首個同時實現冷卻和加熱的材料系統，實現冬暖夏涼！

導讀：本文報導了第一個可以同時實現冷卻和加熱的材料系統，實現了在沒有消耗能量的情況下，炎熱天氣（≈35°C）的環境溫度下降約5°C，寒冷天氣（≈10°C）的環境溫度升高約18°C。

夏天炎熱，冬天寒冷，多虧了空調，溫度才能維持在人體舒適的範圍，不過大家想過沒有，如果建築物能自動調節室內溫度，那該是多麼美好！通過夏季冷卻和冬季加熱來將室內溫度保持在合適的範圍內是現代生活的必要條件。然而，當前的有效冷卻和加熱方法，例如，空調和燃燒加熱，不僅消耗大量的能源，也引起各種環境問題，如臭氧層破壞，溫室效應和大氣汙染。為了減少室內採暖和製冷對環境的影響，迫切需要環保和節能的替代方案。

迄今為止，開發了在一個系統中結合自適應加熱和冷卻的技術，包括智能窗、Janus膜、太陽能煙囪和特隆布壁。然而，這些方法依賴於複雜的功能材料或昂貴的建築物構造，這阻礙了它們在現有建築物中的廣泛應用。而且，這些當前可用的系統缺乏用戶定義的機制來調節室內溫度，與傳統的基於化石燃料的系統相比，它們的效率非常低。因此，發展廉價、可調節、環境友好的策略來實現加熱或冷卻困擾了科學界多年。

針對上述問題，近日，電子科技大學崔家喜教授課題組報告了一種通過將太陽採暖與太陽反射和輻射冷卻相結合來實現節能環保的冬季採暖和夏季降溫的轉換策略。這種策略基於動態多孔有機矽薄膜，該薄膜可以在用於太陽光加熱的透明固體狀態與用於太陽反射和輻射冷卻的高度多孔狀態之間交替。很容易將其塗覆在炭黑顆粒（CBP）上以獲得雙功能雙層，其中CBP設計用於太陽能加熱。

雙層結構在透明狀態下吸收約95％的陽光，但反射約93％的太陽輻射，並在多孔狀態下允許約94％的LWIR熱發射率。該雙層的白天輻射冷卻性能與目前可用的材料相當。這是第一個可以同時實現冷卻和加熱的材料系統。它可以通過簡便、可擴展且環保的方法製備，而無需使用有機溶劑，並且不僅可以作為自立膜使用，還可以作為塗料塗覆在包括剛性陶瓷在內的不同基材上！相關研究工作以「Switchable Cavitation in Silicone Coatings for Energy‐Saving Cooling and Heating」為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000870

該策略基於有機矽塗層的動態空腔作用，可實現高效節能的冷卻和加熱，這種空腔作用可以可逆地，連續地從高度多孔的狀態變為透明的固體。在多孔狀態下，塗料可實現有效的太陽反射（93％）和長波紅外發射（94％），從而在炎熱的天氣（約35°C）下引起約5°C的環境溫度下降。在透明固態下，塗層允許活躍的陽光透過（95％）以誘導太陽加熱，從而在寒冷的天氣中將環境溫度從10攝氏度提高到28攝氏度。

該材料呈現優異的調溫性能，在寒冷的天氣中，從上午9:00到中午12:00，環境平均溫度為10°C，平均太陽強度為795Wm-2的情況下，該雙層膜可達到約18°C的升高。然後，將相同的樣品轉換為多孔狀態，以便在炎熱天氣中約35°C的周圍空氣溫度下進行冷卻。在上午11:00至下午12:30，入射太陽光輻射為768 Wm-2的情況下，經過處理的雙層塗層引起的環境溫度下降（ΔT）約為5°C。

圖1.用於加熱和冷卻系統的可切換空腔

圖2.可切換多孔薄膜材料的光學性能

圖3太陽能加熱和日間輻射製冷性能研究

總的來說，作者基於一種新型的可切換空腔的動態有機矽薄膜，提出了一種切換策略，以實現節能環保的冷卻和加熱，可以在高度多孔和透明狀態之間進行精細調節。通過將這種動態有機矽與太陽能吸收性CBP結合製備成雙功能塗層，證明了該雙層膜可以在透明狀態下吸收約95％的陽光，但多孔狀態下反射約93％的太陽輻射並允許約94％的LWIR熱發射。

這實現了在沒有消耗能量的情況下，炎熱天氣（環境溫度：≈35°C）的環境溫度下降約5°C，寒冷天氣（環境溫度：≈10°C）的環境溫度升高約18°C。儘管需要機械力來切換啟動的多孔/透明狀態，但冷卻和修複本身並不消耗任何能量，這代表了冷卻和加熱的節能策略。而且，該塗層可以由廉價材料製成，而無需使用任何有機溶劑，這表明了零排放和環境友好的優越性。可以通過噴塗或澆鑄將進行應用，包括不同比例的陶瓷基材料，並且在不同環境下均具有出色的持久性。因此，這種可切換雙層塗料可作為用戶定義的建築塗料，在調節室內溫度或其他許多應用中具有很大潛力！（文：嘉一）