南京大学唐少春教授团队和华中科技大学夏正才教授团队合作，设计并制备了一种太阳能降温、加热双功能Janus薄膜，团队首次将具有强红外辐射特性的NaH₂PO₂颗粒嵌入到多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中形成了复合降温膜，同时太阳光吸收率达98%的聚吡咯(PPy)改性棉(PMC)作为加热面。通过以PPy/PMC为基体静电纺丝生长多孔PMMA薄膜，层间相互穿插结合一体化，解决了常用层压技术制备双/多层薄膜界面物理结合力弱的问题。该研究成果近日以“Dual-mode integrated Janus films with highly efficient NaH₂PO₂-enhanced infrared radiative cooling and solar heating for year-round thermal management”为题发表在国际权威学术期刊Advanced Science上(Adv. Sci. 2023, 10, 2206176)，博士研究生杨鹏为论文第一作者，南京大学唐少春教授、华中科技大学夏正才教授和陈亮副教授为论文的共同通讯作者。

本研究工作中，纳米NaH₂PO₂颗粒与多孔PMMA在大气窗口的红外发射峰形成互补扩宽了辐射范围，且分散的无机颗粒与多孔结构有效增强了太阳光漫反射和红外发射，使降温面具有~92.6%的太阳反射率和~97.2%的超高红外发射率。特别是，这一红外发射率值(~97.2%)高于国际上已报道的具有随机分布孔结构辐射降温聚合物的最高值。该Janus薄膜将高效辐射降温、吸收太阳能加热两个相反特性的双功能集于一体。通过选择Janus薄膜朝向环境的一面达到热/冷环境下有效热管理目的，满足不同环境温度下的身体热舒适性，可用于全年人体热管理。

图1. 太阳能降温/加热Janus薄膜的制备过程以及实现全年人体热管理的机理示意图。

近年来，全球极端气候现象呈现逐年递增的趋势。室外环境的明显温差不仅会影响身体舒适度，还会直接影响健康。合理地利用太阳辐射能，是实现零能耗高效室外热管理的理想策略。一方面，在炎热夏季强太阳光外环境下，通过材料微观结构调控，不仅将超过95%的太阳光反射掉，而且其热辐射集中在波长8-13μm的长波红外线(LWIR)使热量直接发射到寒冷外太空去，从而达到被动降温效果；另一方面，在冬季低温外部环境，控制材料微观结构使其能够将0.25-2.5μm短波长范围的太阳光能量强吸收，实现局部加热保暖。然而，已报道的无机红外反射颜料、多孔高分子薄膜的日间辐射降温受限；单一薄膜材料仅具备降温或者加热的功能，无法满足降温/加热全年人体热管理应用需求。

图2.（a）Janus薄膜降温面的数码照片和表面、内部断面以及单根纤维表面NaH2PO2颗粒分布情况的SEM图片；（b）加热面的数码照片和放大SEM图；（c）降温膜/加热膜一体化界面结合处的横截面SEM微观结构图。（d）基于Janus膜双层结构设计的“NJU”图案及其在太阳光照下的红外热成像。

（1）Janus膜辐射降温面和加热面的光学性能优化

本研究将自身拥有高发射率的NaH₂PO₂添加到PMMA中，弥补了PMMA在11-13μm波长范围内红外发射的缺失，复合结构的红外辐射得到增强。通过调节复合膜中NaH₂PO₂的添加量，降温面的平均反射率从84%增加到93.1%，平均红外发射率从93%增加到96%以上，如图3b-c所示。高红外发射率归因于PMMA中C-O-C键和NaH₂PO₂中P=O，P-H键的协同效应。团队采用时域有限差分法（FDTD），研究了孔尺寸对光学性能的影响，结果表明：PMMA多孔膜的太阳光反射率和红外发射率在孔直径3-4 μm时达到最大值。PMMA孔径和NaH₂PO₂添加量相关（图3f所示），当NaH₂PO₂质量百分含量为20%~30%时，PMMA膜的孔径接近4μm，能有效散射大范围波长的太阳光，表现出高反射率。特别是，NaH₂PO₂含量为20%时，PMMA/NaH₂PO₂复合膜的反射率、红外发射率分别高达~92.6%和~97.2%。

图3. PMMA/NaH₂PO₂复合膜的光学特性（a）红外吸收光谱，（b）全光谱反射率曲线，（c）平均太阳光反射率和平均红外发射率的计算值，（d-e）模拟不同孔径PMMA膜的反射率和发射率。（f）平均孔径随NaH₂PO₂含量的变化统计结果。结构优化的PMMA/NaH₂PO₂复合膜分别在（g）白天和（h）夜间的理论净冷却功率。

（2）Janus膜材料在户外环境下实际温度调控测试

为了准确测量Janus膜材料在户外环境下的实际温度调控能力，团队将设计好的实验装置长时间放在中国南京的一座建筑屋顶上大气环境中（图4a），并动态测试记录了Janus膜不同功能面的温度变化。在炎热环境下（户外温度保持在50°C以上），太阳光强为75 mW·cm^-2，PMMA/NaH₂PO₂复合膜实现了~8.8°C的温降，反面PPy/PMC膜的表面温度比环境温度升高了约49.5°C。在低温户外环境下（太阳光强为29 mW·cm^-2）时，Janus膜仍然实现了PMMA/NaH₂PO₂降温面~4.2°C的温降和PPy/PMC加热面高于环境温度~45.5°C的温升。

图4. Janus膜材料在户外环境下实际温度调控能力测试（a）户外实验装置的照片及结构示意图。在中国南京的一座建筑屋顶上（b）高温户外环境（2022年8月7日）和（c）低温户外环境（2022 2022年11月19日）下Janus膜材料实时动态测试的温度变化和太阳辐照度功率密度变化。

团队研究人员将研制的Janus双功能膜覆盖在衣服上和裸露的手臂皮肤表面，并分别测试、记录了它们在太阳光照射下温度变化情况（如图5所示），进一步证实这种Janus膜材料能够满足降温/加热全年人体热管理的应用需求，具有商业应用潜力。

图5.双模Janus薄膜的室外个人热管理性能（2022年4月11日，中国南京）。（a） 棉布和双模Janus薄膜在人体衣服上的红外图像和（b）相应的表面温度，（c）棉布和双模Janus薄膜在裸露的人体皮肤上的红外热成像图和（d）薄膜底部的相应温度。

本研究工作设计并制备出一种Janus双功能薄膜，将辐射降温、太阳光加热两种相反功能基于一体；PPy/PMC和PMMA薄膜层间相互穿插结合一体化，实现了两层间的强结合。自身具有高发射率NaH₂PO₂和PMMA多孔结构强协同，有效反射太阳光并以红外线发射能量，而加热面PPy/PMC拥有高达98%的太阳能吸收率。在75 mW·cm^-2太阳光强下，Janus薄膜实现了低于环境温度~8.8°C的温降和高于环境温度~39.3°C的温升。由于低成本、易规模化优点，这种将高红外发射率无机颗粒与多孔优势结合并构成Janus双功能，为室外人体全年有效热管理提供了新的思路。

文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206176

Dual-mode integrated Janus films with highly efficient NaH₂PO₂-enhanced infrared radiative cooling and solar heating for year-round thermal management. Adv. Sci. 2023, 10, 2206176.