全纤维Janus薄膜的多波段协同光学调控实现长效高效热管理

【编辑推荐】面对动态季节变化下单一波段光学调控材料的局限性，研究人员开发出具有翻转功能的PVDF-HFP/PDMS微纤维（冷却层）与碳纳米纤维（加热层）复合的全纤维织物（AFBF），实现98.9%太阳光反射率和25%红外发射率的动态切换，达到亚环境降温5.8°C与超环境升温35.2°C的效果，年节能13.0 MJ/(m2·year)，全生命周期减少6.3–27.9 kg-CO2eq排放，为零能耗热管理提供创新解决方案。

　　

在全球能源消耗中，建筑和工业热管理占比高达48.7%，同时贡献了39.2%的能源相关CO₂排放。被动辐射冷却（PRC）和太阳能加热（SH）技术虽能实现零能耗温控，但单一功能材料难以应对动态环境变化。现有材料多依赖无机纳米颗粒（如SiO₂、AgNW）增强光学性能，存在机械稳定性差、长期使用颗粒脱落等问题，且缺乏对全生命周期CO₂减排潜力的系统评估。

针对这些挑战，中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队开发了一种全纤维双功能织物（AFBF），通过纤维尺寸调控实现多波段光学协同调制。冷却层由PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）与PDMS（聚二甲基硅氧烷）微纤维组成，利用其固有红外振动增强中红外发射率，同时微米级纤维结构实现98.9%的太阳光散射反射；加热层采用自支撑碳纳米管薄膜（CNTF），通过抑制光散射和分子振动实现高效光热转换。翻转设计使材料可切换PRC/SH模式，在73 mW/cm²辐照下分别实现亚环境降温5.8°C和超环境升温35.2°C。

关键技术包括：1）化学气相沉积法制备CNTF；2）静电纺丝结合溶剂蒸发调控PVDF-HFP/PDMS微纤维结构；3）建筑能耗模型与生命周期评估（LCA）量化CO₂减排效益。

研究结果显示：

1. 光学性能：冷却层太阳反射率达98.8%，红外发射率94%；加热层太阳吸收率97%，红外发射率仅25%。
2. 温控效果：在北京夏季户外实验中，冷却模式使表面温度低于环境5.8°C；冬季加热模式升温达35.2°C。
3. 环境效益：相比传统混凝土，AFBF在中纬度地区年节能13.0 MJ/m²，全生命周期减少6.3–27.9 kg-CO₂eq排放。

结论部分指出，AFBF的创新性在于：

• 材料设计：全纤维结构避免无机添加剂，提升机械稳定性；
• 光学调控：通过纤维尺寸实现太阳光（0.25–2.5 μm）与中红外（8–13 μm）全波段调制；
• 应用价值：首次结合LCA验证动态热管理材料的CO₂减排潜力，为建筑节能与碳中和目标提供可量化解决方案。

该研究发表于《Journal of Materials Science》，通讯作者为Shaochun Tang（唐绍春），第一作者Peng Yang（杨鹏）团队的工作为动态环境下的零能耗热管理树立了新范式。