全球城市化進程的加速正使建筑能耗與城市熱島效應成為可持續發展的關鍵瓶頸。目前，建筑部門占全球終端能源消耗的近三分之一，其中空調系統在炎熱氣候下的建筑能耗占比高達50%。與此同時，城市熱島效應使城市溫度比周邊農村地區高出3至10攝氏度，不僅加劇了熱相關健康風險，也推高了制冷需求。研究表明，熱島強度每上升1攝氏度，城市制冷能耗將增加0.5%至5%，導致電網峰值負荷攀升，尤其在極端高溫事件中風險更為突出。面對氣候變化與城市擴張的雙重壓力，亟需發展可規模化、零能耗的被動式日間輻射冷卻技術，以應對城市過熱問題。

針對傳統寬帶發射器在城市環境中因寄生吸收周邊熱輻射而導致凈冷卻性能下降的局限，南京航空航天大學郭萬林院士?、李秀強教授團隊開發了一種可規模化制備的、光譜選擇性日間輻射冷卻涂層。該涂層采用相轉化法制備的微納多孔聚氟乙烯層與反光銀基底相結合，實現了創紀錄的1.37光譜選擇性指數，其中太陽光反射率達97.5%，且在中紅外8至13微米大氣窗口內的發射率高達94.4%。在模擬的城市峽谷測試中，該選擇性發射器比寬帶對照樣品溫度低1.9攝氏度，有效抵消了來自周圍基礎設施的熱增益。此外，涂層還展現出優異的可擴展性、附著力、自清潔能力及化學耐久性。相關論文以“Spectrally Selective Daytime Radiative Cooling Coating”為題，發表在Advanced Materials上。

研究首先通過理論模型系統比較了光譜選擇性發射器與全向寬帶發射器在不同環境下的輻射冷卻性能（圖1a）。結果顯示，盡管兩者都具有較高的太陽反射率，但寬帶發射器在寬紅外譜段的高發射率導致其大量吸收來自相鄰建筑物和城市表面的二次輻射熱。相比之下，選擇性發射器僅在大氣窗口內高效輻射散熱，從而最大限度地減少了來自環境的寄生熱增益。以南京某建筑立面為例，光學與紅外熱成像觀測揭示了太陽輻射與環境熱源耦合導致的顯著溫升（圖1b）。定量計算表明，在瀝青環繞的開闊環境中，當太陽強度超過每平方米439瓦時，選擇性發射器的冷卻功率便超越寬帶發射器；而在建筑密集的城區，這一交叉點降至每平方米384瓦，冷卻功率差距進一步拉大（圖1c、1d），凸顯了光譜選擇性策略在城市建筑冷卻中的巨大優勢。與現有輻射冷卻材料相比，該涂層在光譜選擇性指數和綜合性能上均處于領先地位（圖1e）。

圖1 | 光譜選擇性發射器與全向寬帶發射器在輻射冷卻應用中的對比。 (a) 工作原理。(b) 建筑物的光學和紅外熱成像圖。(c) 開闊空氣條件下，垂直表面上理想寬帶涂層和選擇性涂層的理論冷卻功率。(d) 城市環境（南京）中的模擬冷卻功率。(e) 與現有最先進輻射冷卻材料（陶瓷、薄膜和涂層）的性能對比。

為實現這種理想的光譜選擇性，研究團隊篩選了多種聚合物，最終確定以全反式β相構型的聚氟乙烯作為核心材料，其分子振動模式恰好落在大氣窗口內（圖2a）。傅里葉變換紅外光譜顯示，聚氟乙烯在1400、1144和888每厘米波數處呈現特征吸收峰，而對比材料聚偏氟乙烯-六氟丙烯則呈現更復雜的吸收帶（圖2b）。X射線衍射圖譜證實聚氟乙烯為單一的β相，與聚偏氟乙烯-六氟丙烯的多相結構形成鮮明對比（圖2c）。X射線光電子能譜進一步確認了聚氟乙烯中僅存在碳-氫與碳-氟鍵的純凈化學環境（圖2d）。通過系統優化聚氟乙烯、丙酮和水的質量配比，研究獲得了最佳光學性能：太陽反射率達到97.5%（圖2e），8至13微米波段發射率為94.4%（圖2f）。厚度優化表明，94微米的涂層兼具高太陽反射與高選擇性紅外發射，進一步增厚會因非窗口波段發射率上升而損害光譜選擇性。

為揭示高太陽反射的機理，研究團隊對涂層的微納孔結構進行了分析。聚氟乙烯在太陽光譜范圍內的折射率與消光系數表明其具備良好的散射潛力（圖2g）。掃描電鏡顯示，溶劑蒸發誘導形成了多級微孔結構，孔徑主要集中在1312納米附近。結合米氏散射理論，時域有限差分法模擬證實，該孔徑尺寸可對太陽光產生強烈的散射效應，從而賦予涂層高達97.5%的太陽反射率（圖2h）。

圖2 | PRCE的光學和結構特性。 (a) 中紅外區域聚氟乙烯官能團的選擇。(b) 聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚氟乙烯的傅里葉變換紅外光譜圖。(c) X射線衍射圖譜。(d) 碳元素的X射線光電子能譜圖。(e) 不同配比聚氟乙烯溶液制備的PRCE的太陽反射率和 (f) 中紅外發射率光譜。(g) 聚氟乙烯的折射率（n）和消光系數（k）。插圖為孔徑分布。(h) 聚氟乙烯在紫外-可見-近紅外波長范圍內的理論散射效率。

研究進一步展示了涂層的實際應用潛力。在大面積噴涂演示中，1.34米×0.42米的彩色金屬瓦經商業銀漆底涂后再噴涂聚氟乙烯涂層，整體光學性能顯著提升（圖3a）。掃描電鏡圖像顯示，優化配方下形成了多尺度微孔結構，同時微納粗糙表面賦予涂層130.63度的靜態水接觸角，展現出顯著的自清潔特性（圖3b）。劃格法測試表明涂層無任何剝離，對基底附著力良好（圖3c）。此外，涂層對銅、碳、木材、鋼材等多種基底均表現出優異的兼容性（圖3d）。在耐久性方面，經過50次凍融循環和砂紙磨損后，涂層光學性能幾乎未發生變化（圖3e）。在pH值為4、7和10的溶液中浸泡15天后，涂層同樣保持穩定（圖3f）。經過水流沖擊以及連續18天紫外輻照后，涂層的太陽反射率僅略有下降，中紅外發射率基本保持不變（圖3g、3h）。微觀結構表征進一步證實涂層在多輪耐久性測試后仍保持完整，彰顯了其在實際應用中的機械魯棒性與環境適應性。

圖3 | PRCE的性能與耐久性。 (a) 在異形基底（1.34米×0.42米）上的大面積噴涂。(b) 涂層形貌的掃描電鏡圖像。插圖為水接觸角（130.63度）。(c) 劃格法測試后的照片。(d) 在銅、碳、木材和鋼基底上的適用性。(e) 50次凍融循環和砂紙磨損前后的光學性能。Rx/R0表示經過x次循環后的太陽反射率與初始值的比值。(f) 在pH為4、7和10的溶液中浸泡15天后的光學性能。(g) 水流沖擊和18天紫外暴露后的太陽反射率和 (h) 中紅外發射率。

戶外熱性能測試進一步驗證了該涂層的實際冷卻效果。在僅存在地面熱輻射的開闊場地測試中（圖4a），測試裝置面向正南以承受最大太陽輻照（圖4b）。結果顯示，聚氟乙烯涂層在正午時段（10:00-14:00）表面溫度穩定在26.5攝氏度，比環境溫度（28.9攝氏度）低2.4攝氏度；而商用涂層比環境溫度高4.4攝氏度，聚偏氟乙烯-六氟丙烯涂層比環境溫度高1.2攝氏度（圖4c）。為了模擬更真實的城市環境，研究團隊構建了包含相鄰建筑熱輻射的圍合測試系統（圖4d），所有發射器同樣面向南墻（圖4e）。結果更為顯著：聚氟乙烯涂層的平均表面溫度為20.6攝氏度，分別比商用涂層（25.1攝氏度）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯涂層（22.5攝氏度）低4.5攝氏度和1.9攝氏度（圖4f）。在直觀的模型房屋演示中（圖4g），紅外熱成像顯示聚氟乙烯涂層屋頂正午溫度僅為34.2攝氏度，比未處理屋頂（44.4攝氏度）低10.2攝氏度（圖4h）；三小時連續監測顯示涂層屋頂平均溫度為32.5攝氏度，對照屋頂為42.8攝氏度，最大瞬時溫差達11.9攝氏度（圖4i）。

圖4 | PRCE在不同環境條件下的性能表征。 (a) 開闊環境實驗裝置示意圖。(b) 測試設備。插圖為紅外圖像和三個樣品的放大視圖。(c) 太陽輻照度和關鍵溫度的變化。(d) 建筑圍合環境實驗裝置示意圖。(e) 測試設備。插圖為紅外圖像。(f) 太陽輻照度和關鍵溫度的變化。(g) 屋頂未處理和處理的兩座房屋（69×66×68厘米）的可見光和 (h) 紅外照片。(i) 180分鐘內太陽輻照度和屋頂表面溫度的變化。

研究最后通過數值模擬揭示了城市幾何參數對冷卻功率的影響。圖5a展示了典型的城市熱交換場景：垂直墻面對障礙物。當地面障礙物高于墻體時，地表視角因子增大，天空視角因子減小；反之亦然（圖5b）。在四種發射器的對比中，理想寬帶發射器在有利幾何條件下冷卻功率最高，但在不利條件下降至每平方米-60.6瓦，出現凈加熱；理想選擇性發射器則僅降至每平方米-1.4瓦，展現出對地形加熱的抑制能力；所開發的聚氟乙烯涂層在不利條件下凈加熱為每平方米-33.7瓦，顯著優于真實寬帶發射器的每平方米-71.4瓦（圖5c）。進一步選取圣地亞哥（干燥）、北京（中等濕度）和新加坡（高濕）三種典型氣候進行模擬。在圣地亞哥，高大氣透過率使理想選擇性發射器在所有建筑高度下均占優，聚氟乙烯涂層在低建筑高度時雖有凈加熱但隨高度增加迅速改善（圖5d）。在北京，所有發射器在低高度時均處于凈加熱狀態，但聚氟乙烯涂層始終優于真實寬帶發射器（圖5e）。在新加坡的高濕環境下，寬帶發射器即使在50米高度仍為負值，而聚氟乙烯涂層在接近50米時凈冷卻功率接近中性（約每平方米0.7瓦），僅理想選擇性發射器在35米以上實現正凈冷卻（圖5f）。這些結果充分證明了該涂層在不同城市形態和氣候條件下的廣泛適應性。

圖5 | 城市幾何變量對垂直表面視角因子和冷卻功率的影響。 (a) 建筑垂直壁面的典型城市輻射熱交換場景。(b) 城市幾何參數變化下地面和天空視角因子的變化。(c) 四種發射器類型的凈冷卻功率隨城市幾何參數的變化。(d-f) 特定地點大氣條件下墻壁高度對凈冷卻功率的影響：(d) 圣地亞哥（28°C，10%相對濕度）；(e) 北京（35°C，30%相對濕度）；(f) 新加坡（31°C，70%相對濕度）。

綜上所述，本研究開發的可規模化光譜選擇性輻射冷卻涂層，通過微納多孔聚氟乙烯與銀基底的結構設計，有效克服了傳統寬帶發射器在城市環境中的寄生加熱局限。該涂層兼具97.5%的太陽反射率、94.4%的大氣窗口選擇性發射率、優異的光譜選擇性（1.37）以及出色的耐久性與自清潔功能。戶外測試表明，其在開闊環境下可實現低于環境溫度2.4攝氏度的冷卻，在城市模擬環境中比寬帶發射器低1.9攝氏度。盡管目前尚未直接量化熱島強度的降低幅度，但該工作為輻射冷卻材料在密集城市環境中的實際應用提供了切實可行的路徑，有望為降低建筑制冷能耗及可持續城市發展作出重要貢獻。