摘要：全球变暖引发海平面上升、热浪和野火等诸多环境挑战，热浪频率和强度的增加加剧了野火风险，同时空调系统等的电力需求急剧上升，预计到 2050 年空调耗电量将增至三倍。被动日间辐射冷却（PDRC）系统作为一种创新的被动冷却技术，通过增强太阳光反射率减少太阳热增益，并

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国立清华大学万德辉教授ACS Nano：超耐用、柔韧陶瓷纳米纤维，实现可持续被动辐射冷却

研究背景：

全球变暖引发海平面上升、热浪和野火等诸多环境挑战，热浪频率和强度的增加加剧了野火风险，同时空调系统等的电力需求急剧上升，预计到 2050 年空调耗电量将增至三倍。被动日间辐射冷却（PDRC）系统作为一种创新的被动冷却技术，通过增强太阳光反射率减少太阳热增益，并促进中红外（MIR）发射率（尤其是在大气透明窗口内）向太空散热，有望缓解气候危机引发的能源需求增长。

现有 PDRC 材料存在不足：早期基于无机材料的光子冷却器制造工艺复杂昂贵，难以大规模生产；聚合物基热发射器虽简单、经济、可扩展，但在长期实际环境使用中易受紫外线降解、泛黄和易燃性等问题困扰；部分陶瓷 PDRC 发射器存在脆性、柔韧性不足、耐温性不够等局限。因此，开发具有优异冷却性能、长期耐久性和在极端环境中韧性的 PDRC 材料具有重要意义。

近期，台湾国立清华大学万德辉教授团队介绍了一种超耐用、柔性的 ZrO₂-Al₂O₃纳米纤维（sh-ZANF）膜，用于可持续的被动辐射冷却。该膜通过电纺丝结合无氟表面改性制成，具有 97.7% 的极高太阳反射率和 95.6% 的高大气透明窗口发射率。在 817 W/m² 太阳辐照度下，最佳 sh-ZANF 膜能实现 6.6℃ 的亚环境冷却，最大功率达 125 W/m²，可使建筑模型、汽车模型和手持相机分别降温 14.7℃、16.8℃ 和 11.1℃。此外，这种全陶瓷纳米纤维可承受超 1400℃ 的温度，具备自清洁特性，通过了加速环境老化测试，预计每年每平方米可节省超 10 MJ 能源，减少高达 27% 的 CO₂排放，适用于未来节能可持续的冷却策略。相关研究成果以“Superdurable, Flexible Ceramic Nanofibers for Sustainable Passive Radiative Cooling”为题目，发表在期刊《ACS Nano》上。

材料设计与制备

材料选择：选择 ZrO₂和 Al₂O₃制备超疏水 ZrO₂-Al₂O₃纳米纤维（sh-ZANF）膜。ZrO₂在太阳波段具有高折射率（n=2.07）、宽禁带（5.7 eV）和极高熔点（2370°C），能提供优异的太阳光散射和阻燃性；掺入少量 Al₂O₃可增强纤维柔韧性并改善 MIR 光学性能。

制备工艺：通过溶胶-凝胶/电纺丝工艺，以 Zr (CH₃COOH)₄、AlCl₃・6H₂O、Al (O-iPr)₃为前驱体，聚环氧乙烷（PEO）为共纺剂，在 800°C 下煅烧制备全陶瓷纳米纤维膜；采用无氟表面改性工艺，使用二甲氧基二甲基硅烷（DMDMS）和四乙氧基硅烷（TEOS）实现超疏水性。

材料特性与性能

微观结构：具有高度多孔的纳米纤维形态，平均纤维直径为 404±58 nm，孔隙率为 93%，包含四方相氧化锆（t-ZrO₂）和非晶态 Al₂O₃域。

光学性能：

太阳反射率高达 97.7%，源于纤维 / 空气界面的高折射率对比度（n 纤维 = 2.04，n 空气 = 1）产生的强散射。

大气透明窗口发射率达 95.6%，归因于丰富的 Al-O/Zr-O 键的声子 - 极化子共振，且无强 Reststrahlen 效应。

冷却性能：在 817 W/m² 太阳辐照度下，最佳 sh-ZANF 膜实现 6.6°C 的亚环境冷却，最大冷却功率为 125 W/m²；夜间冷却功率高达 112 W/m²，峰值降温 4.6°C。对建筑模型、汽车模型和手持相机的覆盖分别使其在阳光下降温 14.7°C、16.8°C 和 11.1°C，还能将相机电池寿命延长 31%。

热稳定性与阻燃性：可承受超过 1400°C 的温度，在火灾紧急情况下能保护建筑物及其居住者，直接暴露于约 1400°C 的热源 1200 s 也无点燃或明显劣化。

耐久性：具有自清洁特性，能排斥多种水性液滴；通过了加速环境老化测试，包括抗腐蚀、抗污、抗紫外线测试等，在潮湿高温和强紫外线环境下仍能保持良好性能。

图 1.（A）sh-ZANF 的示意图，其具有优异性能（被动日间辐射冷却、超轻重量、耐候性和防火性），通过可规模化的电纺丝技术结合无氟疏水表面改性制备而成。（B）大规模 sh-ZANF 膜的照片。（C）均匀分布的 sh-ZANF 的扫描电子显微镜（SEM）图像，其平均直径为 404±58 nm。（D）单个典型 sh-ZANF 的扫描透射电子显微镜（STEM）图像及能量色散谱（EDS）元素 mapping 图。（E-G）突出展示 sh-ZANF（E）轻量化（密度≈0.163 g/cm³）、（F）柔韧性和（G）防火性的照片。（H）sh-ZANF 接触不同液体时的疏水性表现：水、牛奶、红酒、味噌汤、巧克力牛奶、咖啡、豆浆、奶茶和泥水。

图 2.（A）直径在 100 至 2000 nm 范围内的 ZANF、ZrO₂纳米纤维、Al₂O₃纳米纤维和 SiO₂纳米纤维在太阳波长（0.3-2.5 μm）下的计算散射效率。（B）在二维时域有限差分（2D-FDTD）模拟中，ZANF 膜（厚度 = 300 μm，宽度 = 8 μm）及其块状对应物（厚度 = 10 μm，宽度 = 8 μm）的电场分布横截面图。入射光波长（λ₁）：500、1000 和 1500 nm。（C、D）厚度固定为 500 μm、孔隙率为 90% 的 ZANF、Al₂O₃和 SiO₂纳米纤维膜的计算（C）太阳反射率和（D）中红外发射光谱。（E、F）厚度为 10-700 μm 的 ZANF 膜的计算（E）太阳反射率和（F）中红外发射光谱。（G）不同厚度 ZANF 的计算太阳反射率和大气透明窗口发射率值的比较。

图 3.（A）sh-ZANF 的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。（i）随机排列的晶体结构。（ii）（i）中红色勾勒区域的放大图。白色虚线勾勒的区域为非晶态区域。（iii）（ii）中蓝色勾勒区域的放大图，其中四方相氧化锆（t-ZrO₂）的（101）和（200）晶面可通过其晶格条纹区分。（B）X 射线衍射（XRD）图谱、（C）拉曼光谱，以及（D）sh-ZANF 和 ZrO₂纳米纤维膜的拉伸应力 - 应变曲线。（E）不同基重的 sh-ZANF 的太阳反射率和（F）中红外发射光谱。（G）不同基重的 sh-ZANF 的太阳吸收功率、日间冷却功率和夜间冷却功率值。（H）最佳 sh-ZANF 在不同入射角下的太阳吸收功率和（I）大气透明窗口发射率（εₐₜᵥ）值。（J）sh-ZANF、SiO₂、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维膜的太阳反射率和（K）中红外发射光谱。（L）根据（J、K）计算得到的不同纳米纤维膜的平均太阳反射率（Rₐᵥ₉）、平均中红外发射率（εₐᵥ₉）、太阳反射率（Rₛₒₗₐᵣ）和大气透明窗口发射率（εₐₜᵥ）的比较。（M-P）在环境温度为 303 K 的白天，（M）sh-ZANF、（N）SiO₂、（O）PVDF 和（P）PEO 纳米纤维膜在不同非辐射传热系数（hₑ，0-12 W/m²・K）下的计算平衡温度和冷却功率。

图 4.（A）sh-ZANF 暴露于喷灯火焰下的照片和热红外图像。（B）sh-ZANF 卓越隔热性能的示意图。（C）燃烧测试期间 sh-ZANF、SiO₂和 PEO 纳米纤维膜的照片。（D）涂漆钢板在暴露于喷灯火焰时，有无 sh-ZANF 覆盖的照片。插图：火焰暴露后钢板的照片。（E）原始状态、裸露状态和有 sh-ZANF 覆盖的钢板在火焰暴露前后的弯曲强度和模量。（F）不锈钢房屋模型在燃烧测试前后，有无 sh-ZANF 覆盖的照片。（G）sh-ZANF 在燃烧测试前后的太阳反射率、大气透明窗口发射率、冷却功率和太阳吸收功率值。（H）本研究中测定的工作温度和光学特性与近期报道的高性能陶瓷/聚合物基被动日间辐射冷却（PDRC）材料的相关数据对比。（I）本研究中测定的基重和光学特性与近期报道的轻质被动日间辐射冷却（PDRC）材料的相关数据对比。

图 5.（A）用于热测量的装置照片和（B）示意图。（C）白天和（D）夜间在台湾新竹（东经 120.98°，北纬 24.78°）测量的 sh-ZANF 亚环境冷却性能的温度曲线。（E、F）在（E）白天和（F）夜间测量的 sh-ZANF 的冷却功率值。（G、H）（i）建筑模型（G）和汽车模型（H）在无覆盖（裸露）、覆盖铝箔及覆盖 sh-ZANF 情况下的照片和热图像。（ii）建筑模型（G）和汽车模型（H）的内部温度变化，以及两种冷却材料相应的温度降低值。（I）（i）手持相机在无覆盖和覆盖 sh-ZANF 情况下的照片和热图像。（ii）相机的表面温度变化以及因覆盖 sh-ZANF 而相应的温度降低值。（iii）无覆盖和覆盖 sh-ZANF 的相机的电池寿命。（J）台北地区 24 小时及 12 个月的环境温度和（K）计算得到的 sh-ZANF 表面温度。（L）计算得出的全球 16 个主要城市使用 sh-ZANF 的年度节能量，以及（M）相应的二氧化碳减排量。

图 6.（A）ZANF 和 sh-ZANF 样品的接触角。（B）sh-ZANF 在各种 pH 值溶液中浸泡 1 周前后的太阳反射率 / 吸收率光谱、中红外发射率光谱，以及（C）接触角。（D）上图：ZANF 和 sh-ZANF 样品经泥水处理后再用水冲洗的照片。下图：样品在直射阳光下的照片和热红外图像。（E、F）sh-ZANF 在实验室规模的（E）湿热和（F）紫外线预处理加速老化测试前后的太阳反射率 / 吸收率及中红外发射率光谱。

结论：

超耐用的电纺 sh-ZANF 膜被证实能够克服当前聚合物基和陶瓷基材料在实际应用中实现可持续被动冷却时存在的局限性。理论和实验光谱清晰表明，经过优化设计的 sh-ZANF 具有卓越的被动日间辐射冷却（PDRC）能力，其太阳反射率高达 97.7%，大气透明窗口发射率达 95.6%，理论冷却功率为 113.4 W/m²。此外，sh-ZANF 在丁烷火焰下可承受 1407 °C 的高温，创下纪录，这凸显了其在建筑外部覆盖材料方面的潜力。而且，它在白天能实现 6.6 °C 的显著降温，夜间能实现 4.6 °C 的降温，最大冷却功率分别为 125 W/m² 和 112 W/m²。用 sh-ZANF 覆盖的建筑模型、汽车模型和手持相机在阳光下分别实现了 14.7 °C、16.8 °C 和 11.1 °C 的显著降温，由此还使相机的电池寿命延长了 31%。最后，各种极端环境测试证实了 sh-ZANF 具有强大的耐候性，表明其适合长期户外应用。总之，所研发的 sh-ZANF 可作为一种柔性、超轻、阻燃且耐候的辐射体，用于多种外部应用场景，通过高效冷却来缓解全球变暖。

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来源：科学真理