清华大学张如范课题组CJChE综述：彩色被动日间辐射制冷涂料，从基础原理走向实际应用

标题：清华大学张如范课题组CJChE综述：彩色被动日间辐射制冷涂料，从基础原理走向实际应用

推文作者：雷梦欣

论文相关信息：

第一作者（或者共同第一作者）：雷梦欣

通讯作者（或者共同通讯作者）：张如范

通讯单位：清华大学化工系

论文DOI：10.1016/j.cjche.2026.05.025

1、全文速览：

清华大学张如范课题组在Chinese Journal of Chemical Engineering期刊发表综述论文“Colored Passive Daytime Radiative Cooling Paints: From Fundamentals to Applications”（《彩色被动日间辐射制冷涂料：从基础原理到实际应用》）。该综述聚焦彩色被动日间辐射制冷涂料这一兼具节能潜力与美学需求的新型光热调控材料，系统总结了其基础原理、光谱调控策略、不同着色机制、材料选择与结构优化方法，并进一步讨论了面向实际应用仍需解决的关键问题与未来发展方向，为兼顾美观性与高效降温性能的辐射制冷涂料设计提供了系统参考。

2、背景介绍：

随着全球能源消耗持续增长以及气候变化问题日益突出，发展低能耗、高效率的热管理技术成为实现可持续发展的重要方向。利用自然环境实现无源降温的被动日间辐射制冷（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）技术近年来受到广泛关注。在各类被动日间辐射制冷材料中，涂料因具有制备工艺简单、成本较低、易于规模化施工以及适用于不同基底等优势，在实际应用中优势突出。然而，目前高性能辐射制冷涂料通常依赖对整个太阳光谱的高反射，因此普遍呈现白色或银色外观。这种外观限制了其在建筑立面、汽车涂装、城市景观以及具有视觉需求的功能器件中的进一步应用。如何在保持高效降温能力的同时赋予材料丰富颜色，成为推动辐射制冷技术走向实际应用的重要挑战。颜色来源于材料对特定波长可见光的吸收或反射，但传统着色过程往往会增加太阳辐射吸收，从而引起额外热负荷。因此，“色彩表达”与“高效制冷”之间存在天然矛盾。如何实现颜色显示与热管理需求的平衡，是彩色被动日间辐射制冷涂料领域亟需解决的核心科学问题。

3、研究出发点：

针对上述挑战，该综述提出，彩色被动日间辐射制冷涂料设计的关键在于合理的光谱调控策略：在可见光波段实现选择性窄带吸收或特定波段反射以产生目标颜色，同时尽可能提高其他太阳光波段，尤其是近红外区域的反射能力，并保持大气透明窗口范围内较高的红外发射率，从而降低太阳热输入并增强热辐射散失。基于这一目标，文章重点围绕不同着色机制探讨材料选择与结构优化策略，系统梳理了化学色、结构色和光致发光着色三类路径在涂料体系中的研究进展与应用边界。

4、图文解析：

（1）化学色机制：从传统颜料到近红外高反射设计

化学色是目前最接近传统涂料工业的彩色化方式，主要依赖颜料或染料对特定可见光波段的选择性吸收来产生颜色。其优势在于材料来源广、成本较低、配方和施工工艺成熟，便于大面积制备。然而，传统颜料在赋予颜色的同时，往往会引入额外太阳吸收，尤其是近红外波段吸收，从而削弱辐射制冷效果。因此，该综述重点总结了高近红外反射颜料的筛选、宽禁带无机颜料的应用、彩色层与高反射底层的功能分层设计，以及自分层涂料和强散射填料复合等结构优化策略。这些方法有助于在保持颜色表现的同时降低太阳热负荷，是当前彩色制冷涂料中最具工程转化基础的路径之一。

图1. （a）含选择性黑色染料聚合物的复折射率（n + iκ），其在可见光波段表现出强吸收，并在近/短波红外波段（NSWIR）存在拖尾吸收。（b）Fe2O3、Fe2O3·H2O和Fe3O4·H2O的数码照片。（c）Fe2O3、Fe2O3·H2O和Fe3O4·H2O在太阳光谱范围内的反射光谱。（d）甲基蓝、甲基红和甲基橙在太阳光谱范围内的反射光谱。（e）复合涂层的数码照片及对应颜料的扫描电镜图像：β-Bi2O3（上）和α-Bi2O3（下）。（f）2021年9月30日环境温度、α-Bi2O3和β-Bi2O3涂层温度以及太阳辐照强度随时间变化曲线。

图2. （a）太阳光与双层涂层相互作用的示意图，展示其提升反射率的机制。（b）彩色双层ZrO2-PVDF 涂层中多重散射与颗粒散射过程示意图。（c）彩色单层涂料在不同放大倍数下的截面扫描电镜图像。（d）自分层涂料溶液在均匀混合状态（左）和分层状态（右）下的照片，以及涂覆于玻璃基底上的涂层样品；从左至右分别为红色、蓝色和黄色。（e）自分层过程示意图。

（2）结构色机制：以微纳结构减少吸收型着色

结构色主要通过光子微结构与入射光相互作用实现颜色调控，不完全依赖化学吸收，因此在降低热积累、提升颜色耐久性和实现可设计颜色方面具有独特潜力。该综述指出，尽管结构色体系形式丰富，但真正适配涂料体系的结构仍相对有限，目前较具代表性的包括等离子体共振结构、光子晶体、光子玻璃以及薄膜干涉结构等。相关研究通过调节纳米颗粒尺寸、胶体组装结构、孔隙结构或薄膜厚度，实现特定可见光响应与太阳反射能力的协同优化。然而，结构色涂料仍面临微纳结构精确构筑、角度依赖性、规模化制备和长期稳定性等挑战。未来，兼具低成本制备、颜色稳定和施工适配性的结构色体系将是重要发展方向。

图3. （a）单个Ag球在空气和PDMS中的吸收效率Qabs。（b）不同结构彩色涂层的示意图及（c）对应光谱反射率。（d）高结晶性光子超材料示意图。（e）通过刷涂方式在织物上制备的米级可调色PDRC涂层照片，尺寸为0.4 m × 2.4 m。（f）结构色涂料示意图，该涂料由分级多孔PMMA基底以及嵌入其表面微孔中的胶体光子晶体（CPCs）组成。（g）分别由200、250和300 nm二氧化硅胶体颗粒组成的光子晶体（上）和光子玻璃（下）的反射光谱。（h）涂覆于基板上的结构流体涂料宏观照片（上），以及其与商业涂料对比的数码相机图像和热红外图像（下）。（i）BCEC 涂层的形成原理与制备过程示意图。

（3）光致发光着色机制：以光转换提供新思路

光致发光着色机制不同于传统吸收型颜料，其基本思路是利用发光材料吸收入射光后重新发射为可见光，从而在实现颜色显示的同时降低部分吸收能量向热的转化。该综述指出，以量子点、稀土掺杂荧光粉等为代表的高量子产率光致发光材料，为兼顾着色与制冷性能提供了新的解决方案。该机制的优势在于能够通过光转换过程调控能量去向，有望缓解颜色产生与热负荷增加之间的矛盾。但与此同时，光致发光彩色制冷涂料仍需进一步关注发光效率、光稳定性、环境安全性、材料成本以及与涂料体系的长期相容性。如何在真实户外环境中保持高效、稳定、低成本的发光着色，是其迈向应用的关键。

图4. （a）用于日间辐射制冷器件的彩色发射体示意图，其结构由二氧化硅包覆钙钛矿纳米晶/PMMA、ZnO、PET和Ag组成。（b）双层辐射制冷器件示意图，该结构由光致发光着色剂（钙钛矿量子点）和CA纳米纤维膜组成。（c）通过胶体沉积涂覆法制备彩色辐射制冷薄膜的过程示意图。（d）荧光纳米颗粒的化学结构。

图5. （a）彩色辐射制冷涂层示意图，其中顶层引入稀土掺杂荧光粉以调控涂层颜色。（b）含不同粒径SiO2微球和不同颜色荧光粉的彩色涂层截面扫描电镜图像，伪彩色区域分别对应三种荧光粉。（c）含SiO2微球（红色点）和不含 SiO2微球（蓝色点）涂层中红色荧光粉的光致发光量子产率（PLQYs）。（d）基于光致发光机制的美观化复合材料示意图。（e）直径为50 nm的SiO2纳米颗粒的散射效率和吸收效率。该类纳米颗粒在短波长范围内，尤其是紫外波段具有较高散射效率，并在红外区域表现出较高吸收效率，从而有助于荧光增强或红外发射率提升。

最后，该综述进一步探讨了着色给涂料实际应用带来的独特挑战与机遇，涵盖自清洁性、抗老化性、阻燃性与自适应性等关键性能，并展示了其在光伏及伪装领域的应用潜力。最后，文章围绕工业兼容性、规模化制造和多功能集成等方向，对彩色被动日间辐射制冷涂料的未来发展进行了展望。

5、总结与展望：

该综述系统总结了彩色被动日间辐射制冷涂料的发展历程与设计策略，从基础热辐射原理出发，深入分析了不同着色机制下材料选择、结构优化以及应用需求之间的关系，为未来高性能、美观化和规模化辐射制冷材料设计提供了重要参考。未来，彩色被动日间辐射制冷涂料的发展将不再局限于单一追求更高制冷性能，而是向颜色丰富性、长期稳定性、低成本制造以及多功能协同优化方向发展。通过进一步突破颜色与热管理之间的耦合限制，彩色辐射制冷技术有望成为建筑节能、绿色交通以及新型光热调控领域的重要材料解决方案。

6、通讯作者介绍：

张如范清华大学化学工程系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次青年人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员, Smart Materials and Devices客座主编, Coating、Processes编委, SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Carbon and Hydrogen、Particuology、Clean Energy及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及光热调控纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究,共发表论文160篇,其中以第一/通讯作者身份在Science, Nature Nanotechnology, Nature Sustainability, Science Advances, Nature Communications, Chemical Society Reviews, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano等国际知名期刊发表论文一百多篇。主持军委科技委重点项目、军委科技委基础加强项目、国家自然科学基金委面上项目、中石化重点项目等项目十余项。申请发明专20余项,撰写学术专著7部。曾获第五届青山科技奖(2026)、中国颗粒学会自然科学一等奖(2024)、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖(2025)、中国石油和化学工业联合会“青年创新奖”(2024)、中国石油和化学工业联合会首届“彤程青年研发基金”(2023)、中国纺织工业联合会自然科学二等奖(2024)、中国化工学会“侯德榜化工科学技术青年奖”(2019)、中国化学会青年化学奖(2018)、《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”(2018)、中国新锐科技人物(2018)、中国材料研究学会“全国超材料优秀青年学者”(2024)、全球华人化工学会“未来化工学者”(2024)、美国工程化科学协会“杰出创新奖”(2025)、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者(2019)、教育部自然科学一等奖(2016)、瑞士乔诺法(Chorafas)青年研究奖(2015)等奖励。

课题组网站链接：http://www.rufanzhang-group.cn