导读
随着全球变暖与城市化进程加速，建筑制冷能耗激增，城市热岛效应日益严峻。被动日间辐射冷却（PDRC）技术因其能够不耗电地将热量辐射至外太空而备受关注，但传统PDRC材料往往面临两大瓶颈：一是光学性能固定，无法根据环境温度自我调节，易导致冬季过度冷却；二是颜色单调（多为白色或金属色），难以满足建筑美学需求。近期，一项发表于《Renewable Energy》的研究提出了一种创新解决方案：将具有温度响应特性的二氧化钒（VO₂）与色彩可调的无铅钙钛矿纳米晶相结合，成功制备出兼具自适应热调节与多彩外观的智能冷却材料。这项研究为开发下一代可持续、智能化的建筑围护结构材料打开了新思路。
研究背景
建筑供暖与制冷能耗约占全球能源供应的40%，且预计到2050年，制冷需求将增长十倍。被动式冷却策略，尤其是被动日间辐射冷却（PDRC），通过在大气透明窗口（8–13 μm）将热量直接辐射至寒冷的外太空，为实现零能耗降温提供了可能。然而，高效的PDRC通常要求材料在太阳光谱范围内具有高反射率，这导致其外观多为高反射的白色或银色，限制了在城市环境中的美学融合。此外，传统PDRC材料的光学特性固定，无法响应季节或昼夜温差变化，在寒冷季节可能造成不必要的过度冷却。
因此，开发一种能够动态调节红外发射率以适应环境温度，同时又能呈现丰富色彩的PDRC材料，成为该领域亟待突破的关键。二氧化钒（VO₂）因其在约68°C附近发生可逆的绝缘体-金属相变，从而能改变红外发射率，被视为理想的热致变色材料。而无铅钙钛矿纳米晶则具备带隙可调、发光颜色丰富、制备相对简便等优点。本研究首次将这两种材料耦合，旨在构建一种新型的、可规模化制备的自适应彩色PDRC器件。
研究内容
本研究系统地开展了材料合成、性能表征与器件集成工作，核心实验流程与发现如下：
1.VO₂的合成与筛选：寻找最佳“温控开关”
研究团队采用两种方法合成VO₂：水热法和多元醇法。通过差示扫描量热法（DSC）分析，证实两种方法合成的VO₂粉末均具有可逆相变特性。水热法VO₂的相变温度为64.1°C，而多元醇法VO₂的相变发生在66.2°C，且其相变焓更大，相变过程更宽缓。热重分析显示多元醇法VO₂热稳定性稍逊，但在聚合物封装应用中影响可控。扫描电镜图像显示，水热法VO₂呈规整的星形微米颗粒，结晶度高；多元醇法VO₂则为球状与棒状颗粒的混合物，形态更不均一。关键的光谱性能测试表明，虽然两种VO₂在可见光区反射率均较低，但在中红外波段（特别是8-13 μm大气窗口），其发射率随温度升高而显著增加，展现了作为热控“开关”的潜力。综合考量相变特性、与聚合物的相容性及规模化生产便利性，研究最终选择多元醇法VO₂进行后续器件集成。
图1用于VO₂制备的合成方法的示意图：（a）多醇和（b）热液工艺。
图2 VO₂表征：（a）DSC，（b）TGA，（c）SEM/EDX，（d）紫外-可见反射率，MIR 反射率（温度变化），适用于（e）VO2多醇和（f）VO2热液。
2.聚合物封装：打造柔性“智能薄膜”
为将VO₂粉末转化为可应用的形态，研究者将其嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质中，制成柔性薄膜。通过调控VO₂的添加量，可以控制薄膜的太阳光透射率。如图4所示，随着VO₂含量增加，薄膜在整个太阳光谱范围内的透射率逐渐下降。重要的是，封装过程并未破坏VO₂的热致变色性能，薄膜依然保留了温度依赖的红外发射率调节能力。
图3. (a) 薄膜制备过程的示意图。所得样品的照片：(b) VO₂基薄膜；(c) 不同光激发下的钙钛矿基薄膜。
图4. VO₂@PMMA薄膜分析：多元醇基(a,b,c)与水热基(d,e,f)薄膜的太阳光透射率、中红外吸收率及差示扫描量热分析
3.无铅钙钛矿合成：引入多彩“光学滤镜”
为实现色彩与额外的冷却机制，研究合成了三种无铅钙钛矿纳米晶：Rb₂CuCl₃（蓝光发射）、Cs₃Cu₂Cl₅（绿光发射）和Cs₃Bi₂I₅（红光发射）。这些纳米晶通过反溶剂再结晶法制备，并分散在氯仿中形成稳定的胶体溶液。随后，它们同样被嵌入PMMA基质，制成具有明亮光致发光特性的彩色透明薄膜。钙钛矿层的作用不仅是提供美观的颜色，更重要的是其光致发光效应：它能将吸收的部分太阳光能量转换为特定波长的光再发射出去，从而减少光热转换，贡献于“发光冷却”。
4.器件集成与协同工作机制：构建“三明治”智能结构
图5：(a)自适应着色被动日间辐射制冷技术示意图，(b)0.25-20μm波段吸收/发射特性曲线，(c)基于颜色与光致发光发射的CIE1931色度坐标最终的自适应
彩色PDRC器件采用多层结构：底层为高反射的铝板，作为反射镜；中间层是VO₂@PMMA复合薄膜，作为动态热辐射调节层；顶层是钙钛矿@PMMA彩色发光薄膜。该结构实现了三重协同冷却机制：
a.反射：铝基底反射绝大部分太阳辐射。
b.光致发光冷却：顶层钙钛矿将部分吸收的太阳光转化为荧光发射出去，避免其转化为热。
c.动态热辐射调节：中间的VO₂层作为核心。在温度较低时，VO₂处于绝缘态，对中红外辐射（热辐射）透过率较高，器件整体热发射率相对较低，避免过度冷却。当温度升高至相变点以上，VO₂转变为金属态，其在中红外波段（特别是大气窗口）的发射率显著增强，从而将更多热量以辐射形式散失到太空，增强冷却效果。
这种设计巧妙地解决了颜色与冷却性能的矛盾，并通过VO₂的相变赋予了器件“智能”自适应能力。
总结与展望
本研究成功地将热致变色的VO₂与光致发光的无铅钙钛矿纳米晶相结合，开发出一种新型自适应彩色被动日间辐射冷却（PDRC）材料。该材料不仅突破了传统PDRC在颜色和自适应能力方面的限制，还通过反射、发光冷却和动态热辐射调节的协同作用，实现了高效且智能的温度管理。这为建筑节能、缓解城市热岛效应提供了极具前景的材料解决方案。然而，走向实际应用仍面临一些挑战：首先，VO₂的相变温度（~68°C）高于典型夏季建筑表面温度，未来需通过掺杂（如钨、钼）进一步将其降低至更接近环境温度的范围。其次，VO₂的长期循环稳定性以及钙钛矿材料的环境稳定性（特别是耐湿性）需要进一步提升。最后，整个多层器件在真实户外环境下的长期耐久性、光学性能衰减以及大规模制备的成本效益，仍需进行全面的评估与优化。
