清华大学张如范课题组Clean Energy综述：面向高温表面的辐射制冷材料与热管理策略

标题：清华大学张如范课题组Clean Energy综述：面向高温表面的辐射制冷材料与热管理策略

推文作者：蔡启轩

论文相关信息：

共同第一作者：蔡启轩、蓝帆

通讯作者：张如范

通讯单位：清华大学化工系

论文题目：Radiative Cooling Materials for High-Temperature Surfaces

期刊：Clean Energy

论文DOI：10.1093/ce/zkag049

1、全文速览：

近日，清华大学化工系张如范课题组撰写的综述论文“Radiative Cooling Materials for High-Temperature Surfaces” 被国际期刊 Clean Energy 正式接收，并受邀作为期刊封面文章。文章聚焦工业装备、交通运输、户外能源设施和高功率电子器件等场景中的高温表面热管理，指出持续热负载条件下的辐射制冷在目标与材料设计上均不同于传统亚环境制冷。围绕降低冷却能耗、提升高热负载下的散热能力以及适应波动热环境三项核心需求，文章系统梳理了宽带发射、混合耦合和动态响应三类辐射制冷材料设计策略，并进一步讨论了热传导、界面传热、环境耐久性、规模化制造及场景适配等关键问题，为辐射制冷由单一光谱性能优化进一步拓展至面向实际热负载的综合热管理提供了系统性的设计框架。

2、背景介绍：

高温表面广泛存在于光伏组件、车辆外表面、储能与电力设备、工业管线、电子器件以及航空航天热控系统中。长期热积累不仅会降低设备运行与能量转换效率，还会加速材料老化，影响系统的稳定性和可靠性。传统风冷、液冷和制冷系统虽然能够提供较强的散热能力，但通常依赖持续能量输入及复杂的辅助设备。相比之下，辐射制冷通过调控太阳吸收与红外热辐射，在无需额外能量输入的条件下实现被动热量耗散，为高温表面的低能耗热管理提供了新的解决思路。

然而，高温表面的热管理需求与传统亚环境辐射制冷存在明显差异。此类表面通常同时受到太阳辐照、内部发热和高环境温度的共同作用，其核心目标不再是单纯降低平衡温度，而是在持续热负载下实现高效、稳定的热量排出。随着表面温度升高，热辐射谱逐渐向短波方向移动，使2.5-8 μm波段对辐射散热的贡献显著增强；同时，内部产生的热量还需要经过界面和材料本体传递至外部辐射表面。因此，仅依赖高太阳反射率和8-13 μm大气窗口高发射率已难以满足实际需求，还需协同考虑宽谱红外发射、热传输能力、高温稳定性以及对动态环境的适应能力。

3、综述出发点：

区别于按照材料组成或制备路线进行简单分类，本文以“热管理需求—主导传热瓶颈—材料设计策略”为主线展开。首先，从完整传热路径与能量平衡出发，分析高温表面中导热、对流与辐射的耦合作用，并比较近环境温度和高于环境温度条件下选择性发射与宽带发射策略的适用差异。随后，结合不同应用场景对太阳光谱调控的具体需求，将被动宽带发射材料进一步归纳为白色、彩色和透明三类体系。在此基础上，针对持续高热负载和波动工况下单一辐射散热能力的不足，进一步引入混合散热与动态响应策略，最终构建起一个面向实际应用场景的高温表面辐射制冷材料设计框架。

4、图文解析：

文章首先从传热机理出发，建立高温表面辐射制冷的整体研究框架。原理部分重点回答“热量如何从高温表面有效排出”这一核心问题，在此基础上，材料设计则围绕不同热管理需求展开：宽带发射辐射制冷材料侧重在低能耗条件下实现高效被动散热；混合辐射制冷材料通过耦合导热、蒸发等额外传热路径，进一步提升持续高热负载下的散热能力；动态响应辐射制冷材料则针对日照、环境温度和设备功率等边界条件的变化，实现自适应热调控。三类材料并非彼此割裂，而是分别对应高温表面在实际服役中的不同主导瓶颈。

图1. 高温表面辐射制冷材料的整体框架，包括基础原理、宽带发射、混合与动态响应材料。

从传热机理来看，高温表面的散热本质上涉及一条完整的热传递路径：内部产生的热量首先经过器件/涂层界面和材料本体传导至外表面，随后再通过对流与热辐射向周围环境释放。不同温度条件下，最优的辐射光谱也有所不同。在近环境温度下，选择性发射能够减少大气窗口之外的寄生辐射交换，更有利于获得较低的平衡温度；而当表面温度显著高于环境温度时，热辐射逐渐向短波方向增强，2.5-8 μm短波中红外波段对散热的贡献随之提高，同时地面、周围物体和大气均可参与辐射换热，此时拓宽红外发射范围通常更有利于提升整体散热能力。因此，高温表面辐射制冷的关键并非追求单一的“理想光谱”，而是根据实际温度水平与热边界条件，协同优化光谱特性和热传输过程。

图2. 辐射制冷的发展历程及高温表面的传热机制、能量平衡与光谱设计策略。

白色辐射制冷材料是高温表面最基础的被动散热体系。在无需兼顾色彩或透明度的情况下，这类材料能够最大限度提高太阳反射率，并保持较强的宽谱红外发射能力。近年来，其设计重点已由单纯追求初始光学性能，逐步转向兼顾高效散热与长期稳定性。例如，层级多孔Al2O3陶瓷通过多尺度孔结构实现了 99.6% 的太阳反射率和 96.5% 的中红外发射率；对于高于环境温度的垂直表面，进一步增强 2.5-8 μm 波段的红外发射，还可显著提升净散热能力。与此同时，抗老化、抗损伤和自修复等设计能够减少划伤、开裂及长期户外暴露对光谱性能的影响，使材料在复杂服役环境下保持稳定的冷却效果。这表明，白色辐射制冷材料正由单纯追求“高反射、高发射”逐步向“长期稳定散热”发展。

图3. 白色辐射制冷材料中的多级多孔结构、宽带红外发射与耐损伤自修复设计。

实际应用中，建筑外立面、车辆及设备外壳往往还具有色彩、标识和外观设计需求，这使彩色辐射制冷需要同时兼顾视觉呈现与太阳得热抑制。文章指出，其核心思路是尽可能实现可见光显色、近红外反射与中红外发射的功能解耦。例如，仿甲虫结构色涂层利用光子结构产生颜色，在保持较高太阳反射率和红外发射率的同时，在汽车引擎盖模型中相比商业彩色膜实现了 21.2 ℃ 的降温；自分层彩色涂料则通过富BaSO4区域增强太阳散射、富色素区域调控视觉外观，使多种彩色体系仍能维持较高的太阳反射性能。进一步结合无机颜料、矿物基体及超疏水表面设计，还可同步提升材料的耐候性与自清洁能力，为高温及户外环境中的彩色热管理提供更具实用性的材料路径。

图4. 彩色辐射制冷材料通过结构色、自分层涂层与耐候设计兼顾色彩呈现和被动散热。

对于光伏组件、车辆窗户和柔性显示等应用，辐射制冷还需要在增强散热的同时保持透明，因此不同场景对应不同的光谱调控需求。光伏器件需要尽可能保证太阳光透过，以避免影响光电转换效率。梯度折射率介孔SiO2涂层在降低太阳光反射损失的同时增强中红外发射，使钙钛矿太阳能电池在户外测试中平均降温约 6.65 ℃。车辆窗户则更强调可见光透过与近红外阻隔的协同，透明辐射制冷膜可使车舱温度最高降低 6.1 ℃，并减少约 20% 的空调能耗。对于柔性显示，材料还需要进一步兼顾透明、可折叠、机械保护和散热等多重功能。因此，透明辐射制冷的关键并非追求统一的光谱特性，而是根据器件功能需求，合理分配太阳光透过、近红外反射与红外发射，实现光学功能与热管理性能的协同。

图5. 透明辐射制冷材料在光伏、车辆窗户和柔性显示中的代表性应用。

当热负载主要来自器件内部时，即使辐射表面具有优异的光谱性能，也可能受到内部热量难以及时传递至表面的限制。因此，文章将高导热设计作为增强高温辐射制冷能力的重要混合策略。通过引入取向 BNNS、h-BN 等高导热组分，可加快局部热点向更大辐射面积的热扩散，同时兼顾太阳反射与红外发射性能。例如，SiO2-BNNS Janus 薄膜实现了 18.17 W m-1 K-1 的面内导热率，并在户外日照条件下使加热器温度降低约 8 ℃；具有良好高温稳定性的 h-BN/PFA 光子膜则进一步表明，辐射制冷材料能够在 200 ℃ 热暴露及高热流负载条件下保持有效散热。由此可见，对于内部发热主导的高温表面，仅优化辐射光谱并不足够，还需要通过强化热传输，将内部热量高效输送至辐射界面。

图6. 高导热辐射制冷材料通过强化热扩散、提升高温稳定性和定向传热增强散热。

除强化导热外，蒸发耦合还可通过引入潜热传递，为高热负载表面提供额外的散热通道。文章总结了两类代表性结构：一体化水凝胶将太阳散射、红外发射、水分储存与蒸发冷却集成于同一材料体系，实现辐射与蒸发协同散热；双层串联结构则将辐射层与吸湿/蒸发层空间分离，在减少水分对太阳光寄生吸收的同时，实现更稳定的昼夜吸湿—蒸发循环。相关研究表明，辐射与蒸发的协同作用能够显著提升高于环境温度条件下的散热能力，其中串联辐射/蒸发冷却器在 50 ℃ 条件下可实现约 700 W m-2 的最大冷却功率，展现出其在高热负载表面热管理中的应用潜力。

图7. 蒸发耦合辐射制冷中的一体化水凝胶与双层串联结构。

在昼夜交替、云层遮挡以及设备负载波动等条件下，静态光谱难以始终保持最优热管理状态，因此动态响应材料成为高温辐射制冷的另一类重要策略。热致变色材料以表面温度为触发信号，可根据温度变化调节红外辐射特性，在高温时增强散热、低温时抑制过度冷却，其中 VO2 及其复合结构是典型代表。相比之下，光响应材料主要从太阳能输入端进行调控，通过光致变色改变太阳光吸收与透过，或利用光致发光将部分吸收的太阳能重新以光的形式释放，从而降低光热转化带来的热负荷。WO3 光致变色涂层和光致发光辐射制冷材料分别展示了这两类太阳光调控路径。总体而言，这些设计推动辐射制冷材料由固定光谱调控逐步向能够适应环境与工况变化的智能热管理方向发展。

图8. 热致变色辐射制冷材料的温度响应光谱调控与户外热管理。

图9. 光响应辐射制冷材料中的光致变色与光致发光调控机制。

5、总结与展望：

本文从持续热负载下的表面散热需求出发，系统梳理了高温表面辐射制冷的传热机理、光谱设计原则与材料策略。文章指出，未来对高温辐射制冷材料的评价不应局限于太阳反射率、红外发射率或单一的亚环境降温值，而应更加关注实际热负载条件下的散热表现，包括指定热流下的稳态降温、净散热能力、界面热阻、循环热负载稳定性以及真实器件结构中的热管理效果。同时，不同应用场景所面临的主导热管理瓶颈存在明显差异：光伏组件和户外设备外壳更关注太阳热抑制与长期耐候性；高功率电子、储能与电力设备及数据中心更强调热点扩散和界面传热；工业设备、管线及航空航天系统则对高温稳定性、机械可靠性和特定光谱设计提出了更高要求。

面向实际应用，环境耐久性、统一的性能评价体系和规模化制造仍是高温辐射制冷材料进一步发展的关键挑战。未来需要将光谱调控、热传输与环境稳定性更好地集成于可规模化的材料体系，并推动研究由材料层面的单一性能优化逐步迈向器件与系统层面的协同热管理。与此同时，动态辐射材料、自调节混合结构以及兼具透明、彩色、柔性或阻燃等功能的多功能表面，有望进一步拓展辐射制冷在工业装备、交通运输、户外能源基础设施和下一代电子器件中的应用范围。

该工作得到中石油创新基金研究项目（2024DQ02-0409）的支持。

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。申请发明专利 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