复旦武利民/上理工王彤AFM—辐射/蒸发协同冷却超织物助力复杂天气高效降温

近日，复旦大学智能材料与未来能源学院武利民教授（通讯作者）、上海理工大学智能科技学院王彤特聘副研究员（通讯作者）、复旦大学博士生张襄宜（第一作者）创新设计了一种TS/PLU层级Janus双层智能面料，将辐射制冷与蒸发制冷协同起来，即使在潮湿或多云天气下，依然能保持高效的降温性能，为复杂天气环境中的稳定热管理提供了新的材料方案。相关工作以Hierarchical Janus Metafabric With LiCl@UiO-66 for Humidity-Resilient Radiative and Evaporative Cooling为题发表于Advanced Functional Materials。

图1 LiCl@UiO-66合成、Janus双层超织物制备及辐射—蒸发协同冷却示意

高湿天气下，辐射制冷效果为何会“打折”？

随着全球气候变暖和极端高温天气增多，建筑、户外设备和人体热管理对制冷能源的需求持续增长。传统空调依赖电力驱动，在消耗大量能源的同时，还可能增加温室气体排放和电网峰值负荷。因此，开发无需外部能源输入的被动降温技术，已成为先进热管理材料领域的重要研究方向。被动辐射制冷材料通常通过两条路径实现降温：一方面高效反射太阳光，减少太阳热量的输入；另一方面通过8-13微米的大气透明窗口，将自身热量以红外辐射形式释放至外层空间。

然而，在高湿或多云环境中，大气中的水蒸气和云层会削弱大气透明窗口，并增加天空向地面的红外辐射。此时，单一辐射散热通道难以抵消持续积累的热量，亚环境降温能力随之明显下降。研究团队由此提出：能否让材料在辐射通道减弱时，自动启用另一条散热路径？

一块织物，构建两条协同散热通道

团队采用连续静电纺丝技术，构筑了具有上下非对称结构的TS/PLU双层超织物。其中，外侧TS层由热塑性聚氨酯（TPU）纤维和疏水二氧化硅纳米颗粒组成，内侧PLU层则由聚丙烯腈（PAN）纤维和LiCl@UiO-66复合颗粒组成。

图2 TS/PLU超织物的宏观形貌、微观结构与光谱性能

外侧TS层中的纤维网络及其表面微纳结构能够增强米氏散射，从而高效反射太阳光；其疏水表面还可减少雨水、灰尘在辐射表面的附着与积聚，有助于维持材料稳定的光学性能。内侧PLU层中的氯化锂具有较强的吸湿能力，可从周围空气或人体附近的微环境中捕获水分；多孔金属有机框架UiO-66则如同“储水仓”，在保留水蒸气传输通道的同时，降低吸湿盐发生潮解、迁移和泄漏的风险。光谱测试显示，该材料的太阳反射率超过96%，8-13微米大气透明窗口内的发射率高达96.6%，能够在减少太阳辐射热输入的同时，增强中红外热辐射，从而为高效被动降温提供保障。

让水“走对方向”：Janus润湿性调控

材料两侧呈现出显著不同的润湿特性：外侧TS层表现出疏水性，水滴可在表面滚动，并带走部分附着的灰尘；内侧PLU层的水接触角接近0°，水分接触材料后可迅速铺展并渗入纤维网络。

图3 双层超织物的非对称润湿性及定向水输运机制

两层在润湿性、纤维直径和孔隙结构上的差异，共同赋予材料定向水输运能力。水分会优先被亲水的PLU层吸收，蒸发制冷可在材料内侧持续进行，同时避免水分覆盖外侧辐射表面，减小其对太阳反射和红外发射性能的影响。

结构设计的关键：将“水分储存界面”与“光谱辐射界面”在空间上分离，使蒸发制冷与辐射制冷各司其职、协同散热，而非相互干扰。

从空气中取水：构建可循环的水分管理机制

在湿度较高的夜间，LiCl@UiO-66可从空气中吸收并储存水分；白天随着温度升高、环境湿度下降，储存的水分逐渐释放并蒸发，利用水的汽化潜热带走热量。即使云层或水蒸气削弱了辐射散热，蒸发通道仍能提供额外的降温作用。

图4 UiO-66结构、LiCl@UiO-66吸湿性能及循环吸附—解吸行为

这一过程构成了连续的“集水—储水—释水—蒸发”循环。经过多次吸附—解吸循环后，材料的水分吸附与释放性能仍保持稳定，表明其具有良好的循环工作能力，可持续为蒸发降温提供水分支持。

户外实测：晴天和云天均保持降温优势

为检验材料在真实环境中的降温性能，研究团队在上海分别开展了晴天和多云天气条件下的户外测试，并同步记录样品下方温度、太阳辐照强度和环境相对湿度。

图5 上海户外晴天与云天条件下的降温测试

在晴天条件下，TS/PLU超织物实现了最高13.4℃的降温。与不含吸湿氯化锂的对照材料相比，引入LiCl@UiO-66后，吸湿蒸发过程可额外带来最高5.1℃的降温幅度，体现出蒸发制冷对整体性能的显著贡献。在云层遮挡、太阳辐照波动的条件下，该材料相较于对照样品仍保持稳定的降温优势，说明当辐射制冷受到限制时，蒸发散热能够发挥有效的补偿作用。

图6 TS/PLU超织物的制冷功率分析及协同冷却机制

该材料的优异性能来源于光谱调控与吸湿蒸发两种机制的协同作用。外侧TPU/h-SiO₂层依托多尺度纤维结构增强太阳光散射，并利用Si—O—Si、C=O等分子键的振动特性提高中红外发射率；内侧PAN/LiCl@UiO-66层则负责从环境中捕获、储存并释放水分。与此同时，UiO-66有助于提高氯化锂在材料中的稳定性，降低吸湿过程中发生潮解、迁移和泄漏的风险，同时保持稳定的循环吸附—解吸性能。

这种将“光谱调控”与“水分管理”在空间上分离的设计，使两种降温机制能够根据环境条件协同工作：在晴朗、干燥天气下，材料主要依靠辐射散热；在高湿或多云条件下，蒸发散热则提供额外补偿，从而提升材料在复杂天气条件下的持续降温能力。

研究意义与应用前景

该工作将辐射制冷与蒸发制冷集成于同一双层超织物中，使两种散热方式能够协同互补：在晴朗天气下，材料主要通过反射太阳光和红外辐射实现降温；在高湿或多云条件下，吸湿蒸发过程则提供额外的散热通道，从而提升材料在复杂天气环境中的降温稳定性。此外，研究引入多孔MOF材料UiO-66负载氯化锂，在增强水分吸附与储存能力的同时，有效减少吸湿盐潮解后发生迁移和泄漏的问题，提高了材料的循环吸放湿性能与使用稳定性。未来，该超织物有望应用于个人热管理服装、户外电子设备防护和建筑围护结构节能等领域。