耦合氧化钒与无铅钙钛矿实现可持续被动日间辐射制冷的新型自适应材料研究

为解决建筑环境中被动日间辐射制冷器（PDRC）的动态适应性及美学兼容性问题，研究人员开发了一种基于VO2（氧化钒）相变特性与无铅钙钛矿纳米晶光致发光性能的复合薄膜材料。通过聚醇法和水热法合成VO2，结合PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）封装技术，实现了温度依赖的MIR（中红外）发射率动态调控（εMIR=0.76），同时钙钛矿层提供多色光致发光（λemission=420-580 nm）。该研究为城市热管理提供了兼具高效制冷与美学适配的创新解决方案。

　　

随着全球建筑制冷能耗占比攀升至40%，传统降温技术面临高能耗与城市热岛效应加剧的双重挑战。被动日间辐射制冷（PDRC）技术通过大气窗口（8-13 μm）将热量直接辐射至太空，成为零能耗降温的新兴方案。然而，现有PDRC材料存在两大瓶颈：一是静态光学特性难以适应季节温度波动，导致冬季过冷；二是高反射率要求限制了材料在建筑美学中的应用，常见白色或金属外观难以融入城市景观。

针对这些问题，一项发表于《Renewable Energy》的研究提出创新解决方案：将具有绝缘体-金属相变特性（MIT）的氧化钒（VO₂）与可调带隙的无铅钙钛矿纳米晶耦合，开发自适应彩色PDRC器件。研究团队通过对比聚醇法和水热法合成VO₂，发现聚醇法制备的样品虽结构均匀性较低，但相变过程更平缓（ΔH=27.1 J/g），且与PMMA基质兼容性更佳。通过差示扫描量热法（DSC）证实，封装后的VO₂@PMMA薄膜保持显著相变特性（T_transition≈66°C）。同时，铷/铯基无铅钙钛矿纳米晶（Rb₂CuCl₃/Cs₃Cu₂Cl₅/Cs₃Bi₂I₉）在PMMA中实现蓝、绿、红三色光致发光（PL），其斯托克斯位移特性将部分吸收光转化为非热辐射。

关键技术方法包括：1）采用溶剂热还原法合成VO₂纳米颗粒；2）通过旋涂工艺制备VO₂@PMMA复合薄膜；3）利用积分球光谱仪测定0.25-20 μm波段的光热性能；4）结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析温度依赖的MIR发射率变化。

研究结果显示：
3.1 氧化钒表征
水热法合成的VO₂呈星形微米颗粒，相变温度64.1°C；聚醇法则生成球/棒状混合颗粒，相变温区更宽（60-90°C）。两者在80°C时MIR发射率均达0.7，但聚醇样品紫外-可见光反射率更高（ρ_vis=0.21）。

3.2 聚合物封装
含0.5 mg聚醇VO₂的PMMA薄膜表现最优，可见光透射率（τ_vis=0.90）接近纯PMMA，表面粗糙度（Sq=2.84 μm）仅增加16%。

3.3 钙钛矿性能
Cs₃Bi₂I₉@PMMA薄膜在保持高太阳光透射率（τ_solar=0.87）同时，发射580 nm红光，其PL量子效率有效补偿可见光吸收损失。

3.4 自适应PDRC器件
VO₂-钙钛矿双层结构耦合铝反射基底，实现太阳光反射率0.76与大气窗口发射率0.90的协同，且通过PL二次辐射降低净吸热。

结论指出，该研究首次将VO₂相变动力学与钙钛矿光子管理结合，创建了"反射-光致发光"双模制冷机制。聚醇法VO₂更适于规模化生产，而无铅钙钛矿解决了传统PDRC的色彩单一问题。未来需优化VO₂掺杂以降低相变温度，并加强钙钛矿的湿度稳定性研究。这项工作为建筑表皮的"智能皮肤"设计提供了材料基础，对缓解城市热岛效应具有重要实践意义。