芝加哥大学《Advanced Materials》： 电化学器件首次实现真正亚环境日间辐射制冷，并可切换至太阳加热模式

近日，题为 “Electrochromic adaptive solar heater and sub-ambient passive daytime radiative cooler” 的研究论文被 Advanced Materials 接收发表。

该工作报道了一种基于电致变色机制的动态热管理器件，可以在太阳加热模式和日间亚环境辐射制冷模式之间可逆切换。更重要的是，该研究首次在电化学动态器件中实现了真正低于环境空气温度的日间辐射制冷态，证明了电化学体系不仅可以调控颜色和光学状态，也可以主动调控热量流动。

这一器件不依赖机械翻转或移动部件，而是通过可逆电化学沉积实现太阳光波段和中红外波段的协同调控。在寒冷条件下，器件可以增强太阳能吸收并降低热辐射损失；在炎热条件下，器件可以反射太阳光并通过中红外辐射向外太空散热，从而实现适应不同季节需求的智能热管理。

真正的“亚环境制冷”为什么重要？

日间辐射制冷的核心，是利用寒冷的外太空作为天然热沉，将物体热量通过中红外辐射释放出去。然而，在白天阳光照射下，要让一个物体的温度真正低于周围环境空气温度并不容易。

需要强调的是，“比某个参照样品更冷”并不等同于“亚环境制冷”。真正的亚环境辐射制冷要求器件在太阳照射下仍然能够维持净向外热流，使自身温度低于环境空气温度。这意味着材料必须同时具有极低的太阳吸收和较高的中红外发射。任何额外的太阳吸收、光学损耗、热泄漏或封装损耗，都可能使器件无法跨过这一热力学门槛。

对于静态辐射制冷材料来说，这已经是一项很高的要求；而对于电化学动态器件来说，难度进一步增加。因为这类器件不可避免地包含透明电极、电解液、电流收集结构、封装层以及可逆电沉积活性材料。这些组件都可能引入额外的太阳吸收、光散射、热损耗或电化学不均匀性。因此，在电化学器件中实现真正低于环境温度的日间辐射制冷态，是一个非常严苛的目标。

该工作最重要的突破，正是在这样的复杂器件体系中实现了这一点。

一种可在“吸热”和“散热”之间切换的器件

建筑热管理本质上需要同时处理两个关键能量通道：一个是来自太阳的短波辐射，另一个是物体自身向外太空发出的中红外热辐射。

在加热模式下，理想器件应该在太阳光波段具有较高吸收率，从而尽可能多地吸收太阳能；同时在中红外波段具有较低发射率，从而减少自身热量散失。

在制冷模式下，理想器件则需要完全相反的光学性质：在太阳光波段具有低吸收、高反射，避免被阳光加热；同时在中红外大气窗口具有高发射率，将热量辐射到外太空。

因此，一个真正有效的动态热管理器件需要实现两个波段的反向调控：

加热模式：高太阳吸收 + 低中红外发射
制冷模式：低太阳吸收 + 高中红外发射

这比单独调节太阳光，或者单独调节中红外发射，要困难得多。该研究实现的是一个无机械移动部件的电化学双波段调控器件，使器件能够在太阳加热和亚环境辐射制冷之间切换。

器件是如何实现的？

该研究设计了一种基于缺陷工程单层石墨烯和脉冲电沉积 Cu–Bi 非晶纳米簇的电致变色器件。

在制冷状态下，器件保持较低的太阳吸收率和较高的中红外发射率，从而实现日间辐射制冷。实验中，该器件在阳光照射下实现了约 1 °C 的亚环境降温，即器件温度低于周围环境空气温度。

在加热状态下，Cu–Bi 非晶纳米簇通过电化学方式沉积到石墨烯电极上，使器件显著提高太阳吸收，同时降低中红外发射。实验中，该器件在太阳照射下实现了最高约 33 °C 的升温。

从光学性能来看，该器件在冷却态的太阳吸收率约为 7.99%，中红外发射率约为 93.58%；在加热态，太阳吸收率提高至约 47.7%，中红外发射率降低至约 20.14%。这些结果表明，该器件能够在太阳光和中红外两个关键波段实现可逆、协同、反向的光学调控。

为什么这不是简单的器件优化？

该工作的创新性并不只是某一个单独性能指标，而在于实现了一类此前尚未实现的器件功能：无机械移动部件、单体化、非透明的双波段电化学动态热管理器件，同时实现太阳加热和真正日间亚环境辐射制冷。

为了达到这一目标，研究中必须尽可能降低器件内部的寄生光学损耗。因此，该器件采用单层石墨烯作为超宽带透明导电电极，降低电解液厚度，并去除了会引入额外太阳吸收的金属网格和 Pt seed 层。

然而，这些降低光学损耗的设计也带来了新的电化学挑战。当传统导电结构和成核层被去除后，在单层石墨烯上实现均匀、可逆、稳定的金属沉积变得更加困难。为了解决这一问题，研究中引入了脉冲电沉积策略：先在较高电压下形成均匀的成核层，再在较低电压下进行 Cu–Bi 生长，从而在低光学损耗和良好电化学性能之间取得平衡。

因此，这项工作并不是简单地优化已有平台，而是提出了一种面向电化学动态热管理器件的光学—电化学协同设计策略。

Cu–Bi 非晶纳米簇的作用

Cu–Bi 非晶纳米簇是该器件实现加热模式的重要组成部分。研究表明，Cu–Bi 的光学响应不能简单理解为 Cu 和 Bi 两种金属的物理混合。由于非晶结构带来的强无序散射，Cu–Bi 表现出高度阻尼的自由载流子响应，从而在太阳光波段产生较强吸收。

与此同时，Cu–Bi 在中红外波段仍然保持类似金属的高反射特性，因此可以有效降低热发射。这种“太阳光强吸收 + 中红外低发射”的光学组合，正是太阳加热模式所需要的关键特征。

面向建筑节能的应用潜力

该研究进一步使用 EnergyPlus 进行了建筑能耗模拟，评估器件在美国多个气候区域中的潜在节能效果。模拟结果表明，这种动态电致变色热管理器件可以根据季节和气候条件在加热态与制冷态之间切换，从而降低建筑全年 HVAC 能耗，并减少与电力和天然气消耗相关的二氧化碳排放。

在冬季，器件可切换至太阳加热和低发射状态，减少建筑供暖需求；在夏季，器件可切换至高反射和高发射状态，减少空调制冷负荷。这种动态适应能力为未来智能建筑外表面和低能耗热管理材料提供了新的设计方向。

总结

该研究展示了一种能够在“吸收太阳热量”和“向外太空散热”之间切换的电化学动态热管理平台。其最重要的意义在于，首次在电化学动态器件中实现了真正低于环境空气温度的日间辐射制冷态，并同时保留了可逆切换至太阳加热模式的能力。

尽管该器件目前仍处于 proof-of-concept 阶段，未来还需要在大面积制备、长期户外稳定性、光学效率和封装可靠性方面继续优化，但这项工作证明了一个重要方向：电致变色和电化学器件不仅可以调节颜色和光学状态，也可以用于主动调控热量流动。

从“改变颜色”到“改变热量”，电化学动态材料正在打开新的应用空间。