哈尔滨工业大学(深圳)曹峰等AFM!!通过集成自适应热致变色和高焓相变实现可持续冷链协同热调控

从气候控制建筑到电子器件保护和易腐品保存，对热管理的需求日益增长，这要求现代工业和日常生活中采用节能技术。传统的由化石燃料驱动的主动冷却/加热系统显著加剧全球变暖，同时造成不可持续的能源消耗模式。新兴的被动辐射冷却和太阳能加热策略通过利用太阳辐射和深空冷源这两个自然热力学储库，提供了一种有前景的替代方案，可实现零能耗温度调节。然而，在实际运行条件下，环境参数的固有变化性和场景特定要求常使单一模式的加热或冷却方法不足以实现有效热调控。例如，人体热舒适范围为20°C-28°C，偏离此范围可能影响生理健康。此外，许多易腐品和药品的储存必须维持在狭窄且明确定义的温度范围内，因为超出此范围的偏差可能导致质量、效力和功效下降，严重情况下甚至造成不可逆的变质或完全丧失功能。因此，开发能够在辐射冷却和太阳能加热功能之间动态切换的双模式材料，是实现自适应热管理解决方案的关键途径。双模式材料通常需要可调光谱特性、有效热迁移和稳健的热适应性，但现有系统往往结构复杂或依赖外部能量输入，限制了实际部署。

在这项研究中，研究人员提出了一种先进的相变自适应变色冷却（PACC）涂层，通过采用有机热致变色三元体系、亲水性二氧化钛纳米颗粒和PVDF-HFP基质，实现了热致变色行为和相变焓的协同效应。该涂层在辐射冷却模式下表现出91%的太阳反射率和95%的大气窗口发射率，可有效实现被动辐射冷却。当热切换至太阳能加热模式时，其太阳反射率降至55%，同时增强太阳吸收以收集热能。同时，由于有机热致变色三元体系的相变行为，涂层的相变焓达到110 J g⁻¹。与常规辐射冷却涂层相比，该涂层在炎热夏季可实现约4°C的降温，在寒冷冬季可实现约13°C的升温。该涂层通过有机热致变色三元体系实现自适应调控，该体系通过长链醇溶剂的相变将显色剂和隐色染料耦合，从而调制太阳辐射吸收。亲水性二氧化钛颗粒通过氢键与有机热致变色体系自组装，提供有效的可见光散射。溶剂/非溶剂蒸发后，通过相转化形成多孔PVDF-HFP网络，将二氧化钛颗粒和有机热致变色体系嵌入其中。户外测试表明，在夏季白天，PACC涂层相对于传统辐射冷却涂层可实现约5°C的降温；在冬季条件下，PACC涂层通过有效的光热转换实现热舒适（20°C-25°C），而传统辐射冷却涂层持续处于冷却模式，温度比未覆盖开口低10°C-15°C。

该研究成功开发了一种新型PACC涂层，通过协同整合热致变色功能与相变储能实现了先进的自调节热管理。该涂层利用有机热致变色三元体系，可在高温辐射冷却状态（太阳反射率91%，大气窗口发射率95%）和低温太阳能加热状态（太阳吸收率45%）之间动态切换。同时，110 J g⁻¹的 substantial 相变焓提供了 robust 的热缓冲，进一步增强了温度调节效率。值得注意的是，这一自适应热管理系统无需外部能量输入即可完成，使PACC系统成为温度敏感应用的高能效解决方案，如冷链物流和温度敏感储存。该涂层通过热致变色光谱切换与潜热控制的耦合，实现了先进的自调节热管理，其协同的光谱-热控制为多领域热管理系统通过完全被动操作提供了显著的节能潜力。这种能力可实现易腐食品储存和其他严格温度控制应用的全天候、全球热管理，从而提供 substantial 的能源节约和精确的气候适应性。该研究为复杂场景下实现精确温度控制的高级热管理提供了新途径，对推动可持续冷链和建筑节能技术的发展具有积极意义。