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清华大学团队综述:光热调控材料-从静态到动态,为应对全球能源与气候挑战提供新方案

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2026年6月,清华大学化学工程系张如范副教授团队在国际期刊《Review of Materials Research》上发表了题为“Photothermal Regulation Materials: A Comprehensive Review of Passive Radiative Cooling, Passive Solar Heating, and Dynamic Photothermal Regulation Materials”的综述论文。该综述系统梳理了光热调控(PTR)技术的最新进展,从基础原理到材料设计,从静态功能材料到智能动态响应材料,为应对全球能源危机与气候变化提供了系统的材料学视角。

零能耗的温度调控:

从太阳与太空获取能量

光热调控技术的核心在于:无需外部能源输入,仅依靠材料自身的光学特性,即可实现对温度的调控。其基本原理是利用太阳(约6000 K)作为热源、外太空(约3 K)作为冷源。

被动光热(PSH)材料需要高效吸收太阳光(吸收率>0.9),同时尽可能减少红外辐射热损失(红外发射率<0.1),从而实现高效的光热转换。而被动辐射制冷(PRC)材料则恰好相反,需要反射绝大部分太阳光(反射率>0.95),同时通过大气窗口(8-13 μm)高效向外太空辐射热量(红外“大气窗口”发射率>0.9)。目前,先进PRC材料的太阳光反射率已超过0.96,大气窗口红外发射率超过0.95;而高性能PSH材料的太阳吸收率已超过0.95,红外发射率可低至0.1以下。

静态材料的局限:

固定功能难以应对多变环境

然而,无论是PSH还是PRC材料,其光学性能一旦制备完成便固定不变。这种“静态”特性在复杂多变的天气条件下逐渐暴露出局限性:辐射制冷材料在寒冷天气或夜间可能导致“过冷”,而光热材料在炎热天气下则可能造成“过热”。

动态响应材料:

对于外界刺激响应,自适应环境调节

为突破这一瓶颈,研究人员开发了能够对外界刺激做出响应的动态光热调控材料。根据刺激源的不同,这些材料可分为四大类:

热致变色材料:以二氧化钒(VO2)为代表,可在约68 ℃时发生绝缘体-金属相变,从而大幅改变红外发射率。通过元素掺杂,相变温度可降至室温附近,实现“冬暖夏凉”的自适应调控。热致变色水凝胶则可在低温下透明、高温下变不透明,用于智能窗的可见光调控。

电致变色材料:如三氧化钨(WO3)、氧化镍(NiO)及导电聚合物等,可在电压驱动下可逆改变光学性能的材料。与热致变色材料的被动响应不同,电致变色器件可按需主动控制,实现精准的个性化热管理。

力致变色材料:通过机械翻转、拉伸、刮擦、压缩等方式改变光学性能。

湿度响应材料:可在干燥和湿润状态下切换光学性能,实现制冷与加热模式的转换。

应用前景

与挑战

这些光热调控材料在低碳建筑、智能窗、个人热管理织物、光伏系统和交通等领域具有广阔的应用前景。然而,要实现大规模商业化应用,仍需解决三大核心挑战:

其一,循环稳定性与环境耐久性:动态材料在长期使用中的性能衰减问题亟待解决;其二,调制深度与响应灵敏度:如何兼顾光学调制幅度和快速响应速度;其三,规模化制备与成本控制:当前多数高性能材料依赖复杂的微纳加工工艺,难以大规模推广。

该综述为光热调控材料领域的后续研究提供了系统的参考框架,也为推动下一代高效、智能、环境友好的光热调控材料的发展指明了方向。

该工作获得了中国石油科技创新基金研究项目、鄂尔多斯实验室和北京市自然科学基金的支持。论文第一作者为博士后陶爽,通讯作者为清华大学张如范副教授。


图1 综述论文概览:光热调控原理,及静态,动态光热调控材料分类

本文作者:张如范

作者简介:张如范,清华大学化学工程系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师,研究方向为纳米碳材料与功能纳米材料的可控制备与应用。

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