一种用于可穿戴微环境热管理的散射调节辐射冷却纳米纤维膜装置，该装置结合了摩擦电能收集技术

《Chemical Engineering Journal》：Scattering-regulated radiative-c ooling nanofibrous membrane device for wearable microenvironment thermal management with triboelectric energy harvesting

　　

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  纤维的直径和厚度调节了PTC薄膜中的太阳散射。
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  负载SiO₂/TiO₂的纤维增加了散射效果、紫外线屏蔽能力和介电响应。
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  TERC装置保持了91.56%的太阳反射率和<0.4%的紫外线透过率。
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  室内太阳测试显示，相比棉质材料，该材料可降低13.85°C的温度。
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  CN@Ni材料可以实现摩擦电效应所需的焦耳加热和电荷收集。

引言

随着全球变暖的加剧和人们对节能可穿戴技术需求的增加，在日益多变的户外条件下保持个人的热舒适度已成为一个日益严峻的挑战[1]。传统的空间冷却系统会调节整个室内环境，因此即使只需要在身体附近进行温度调节时也会消耗大量电能[2]。这种空间上的不匹配促使人们开发出能够调节身体周围微环境而非整个空间的个人热管理织物[3]。在被动冷却方法中，被动日间辐射冷却（PDRC）具有吸引力，因为它可以通过反射入射的阳光并将热量通过大气透明窗口释放到寒冷的外太空来冷却表面，而无需外部能量输入[4],[5],[6]。对于可穿戴的PDRC系统来说，这两种热传递途径需要光谱选择性：在0.25–2.5 μm范围内具有高反射率以限制太阳加热，在8–13 μm的大气窗口范围内具有强的热辐射能力以促进热量散发[7],[8]。

在太阳光谱中，入射能量会在反射、透射和吸收之间分配；因此，有效的冷却需要高反射率以及低透射率和低吸收率[9]。在多孔纤维膜中，宏观的漫反射效果是由局部散射、光线在网络中的多次传播以及总的光学厚度共同作用的结果，而不是由单一的结构元素决定的[10]。在微观尺度上，Mie散射理论描述了单个介电纤维或填料的散射截面和效率如何依赖于它们的特征尺寸与入射波长的比值[11]。因此，要在0.25–2.5 μm范围内实现宽带背散射，需要在与入射太阳波长相当的长度尺度上分布散射单元。静电纺丝纳米纤维膜特别适合用于辐射冷却架构，因为它们的纤维直径可以在与太阳辐射相关的长度尺度上进行调节，而且其多孔网络可以促进光线的多次散射[12],[13],[14]。先前的研究通过调整纤维或珠子的形态来增强太阳散射效果[15]。还引入了高折射率填料，并使用基于Mie的理论和时域有限差分模拟来研究粒子大小、排列、浓度和光学厚度[16],[17]。这些研究确立了尺寸-波长匹配作为一个有用的设计原则。然而，组成依赖的连续纤维直径分布和膜厚如何共同控制宽带反射率的形成、前向透射的抑制，以及厚度进一步增加时仅带来有限的光学增益这一点，尚未得到系统的关注。这一区别在实践中非常重要，因为在反射率增益下降后增加厚度会消耗额外的材料但光学增益有限，而重新分配纤维直径可以扩大有效散射发生的波长范围。

单独的高太阳反射率不足以实现辐射冷却，因为膜还必须提供一条有效的路径，使热量能够通过大气窗口散发到外部。现有的可穿戴辐射冷却材料通常遵循两种中红外策略：要么透射人体发出的辐射，要么在8–13 μm的窗口范围内吸收并重新发射这些辐射[18],[19],[20],[21]。中红外透明织物可以直接释放人体辐射，但它们的双向透明度也可能允许环境中的红外辐射进入，从而在变化的户外条件下导致额外的热吸收。相比之下，中红外发射材料通过分子振动吸收热能，并通过大气窗口向外重新发射，减少了对底层基底光学特性的依赖。在发射材料中，氟聚合物特别适合，因为它们的极性CF键在大气窗口范围内表现出强烈的振动吸收，同时在太阳区域保持低的内在吸收[22],[23],[24]。基于此，选择聚（vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene）（PVDF-TrFE-CFE, PTC）作为膜材料，并在其太阳能吸收和大气窗口发射能力方面进行了实验评估。

除了结构-光学工程，实际的可穿戴辐射冷却系统还必须在外部使用过程中保持其光学性能，并适应不断变化的热需求[25],[26]。长时间暴露在户外环境中会使这些系统受到紫外线辐射、颗粒污染和水分侵入的影响，这些因素会降低太阳反射率并损害机械完整性[27]。TiO₂和SiO₂纳米粒子被用作辐射冷却结构中的功能性填料，因为它们可以促进光学散射、紫外线衰减、中红外响应和表面功能化[17]。除了紫外线衰减和表面功能化之外，这些粒子还引入了具有与宿主纤维不同特征尺寸的散射中心，构建了多尺度散射网络，从而增强了宽带太阳反射率[28]。颗粒与纤维界面处的介电对比也可能为后续的摩擦电集成提供介电异质性，当膜与导电电极结合使用时[29],[30],[31]。最近的研究将辐射冷却与焦耳加热或传感结合[32]，并将辐射冷却与智能纺织品和透明玻璃设备中的摩擦电发电集成[33],[34]，相关的纳米纤维摩擦电设备还展示了紫外线防护、抗菌活性和超低频能量收集能力[35]。这些研究展示了多功能性的可行性，但通常强调设备层面的共存或特定应用的输出，而不是从对冷却膜的定量结构-光学分析中推导出集成设备。因此，一个剩余的挑战是将膜级别的散射和光学厚度控制与可穿戴架构联系起来，在这种架构中，纳米纤维膜提供被动冷却和介电/接触功能，而单独的导电织物层提供主动的热补偿和电荷收集。

本研究通过一种膜到设备的设计策略解决了这一挑战，首先为静电纺丝PTC辐射冷却膜确立了结构-光学设计原则，然后将优化的膜转化为可穿戴的TERC设备，通过集成CN@Ni导电织物电极实现。首先，使用静电纺丝PTC纳米纤维膜作为模型系统，量化纤维直径分布和膜厚度如何控制太阳反射率、前向透射的抑制以及反射率的饱和度。与主要研究离散纤维/珠子形态或优化粒子大小和排列的先前研究相比，该分析将波长依赖的散射与测量的组成依赖的纤维直径分布联系起来，确定了进一步增加材料后反射率增益有限的厚度范围。在确定了纤维直径分布和厚度的膜级效应后，引入了负载SiO₂和TiO₂的纤维层，以构建多尺度散射网络，同时提供紫外线屏蔽和环境稳定性。然后对PDMS表面进行修饰，创建一个超疏水外表面，通过被动自清洁维持太阳反射率。最后，将优化的冷却膜作为多层TERC设备朝向环境的层进行集成，并结合一个独立的CN@Ni导电织物电极。核心设计原则是膜到设备的集成：纳米纤维膜提供被动冷却、紫外线屏蔽、自清洁保护和界面介电调节，而CN@Ni织物层则增加了主动的焦耳加热和电荷收集，以实现自供电交互。被动辐射冷却、按需焦耳加热和低频摩擦电能量收集的总体设计概念和集成功能在图1a中进行了总结。

章节摘录

静电纺丝PTC纳米纤维膜的结构依赖性宽带太阳反射

TERC装置的整个制造过程和层次化组装在图1b中进行了说明。为了建立该装置架构的光学基础，我们首先研究了原始PTC纳米纤维膜的结构依赖性太阳响应。入射的太阳辐射会被反射、透射或吸收，因此高效的可穿戴冷却需要高太阳反射率、低透射率和低吸收率。PTC结合了低太阳吸收率、灵活性和

结论

总之，本研究开发了一种通过散射调节的PTC辐射冷却膜，并将其与CN@Ni导电织物电极集成，形成了可集成到服装中的可穿戴TERC设备。通过调节纤维直径分布和膜厚度，阐明了静电纺丝纳米纤维膜的结构-光学关系。宽带太阳反射由直径依赖的散射和厚度依赖的饱和度共同控制。

CRediT作者贡献声明

张欣：撰写——原始草案，正式分析。刘诺：方法论，研究。王凯：正式分析，数据管理。牛春青：研究，正式分析。罗正新：方法论，研究。朱春红：撰写——审阅与编辑，监督，资源管理。史健：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了

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