香港城市大学曹之胤Matter综述：静电纺丝辐射制冷器，从材料设计走向系统集成

全球制冷用电增长很快。国际能源署预测，在基准情景下，到2050年全球空调保有量可能增至目前的三倍，每年新增约2000–3000 TWh用电。被动日间辐射制冷（passive daytime radiative cooling, PDRC）不消耗能源：材料反射太阳光，同时通过8–13 µm的大气窗口把热量辐射到寒冷的外太空。静电纺丝做出的纤维膜很适合干这件事：纤维与孔隙负责散射阳光，聚合物中的化学键负责中红外发射，膜本身又轻、软、透气。近日，香港城市大学曹之胤教授团队在《Matter》发表综述，整理了静电纺丝辐射制冷器（electrospun radiative coolers, ERCs）的研究进展。文章沿“材料—结构—光学调控—功能集成”的主线展开：比较了聚合物、陶瓷和天然蚕丝三类材料，分析了单层、Janus和多层三类结构，总结了提高太阳反射率和调控中红外发射的方法，并介绍了ERCs与能量收集、伤口护理、健康监测和防护功能的结合。文中汇总的代表性工作里，聚酰亚胺纤维膜的太阳反射率达到99.6%，陶瓷纤维膜可耐受1400 ℃以上高温，一张弹性纤维膜拉伸后就能从制冷状态切换到加热状态。文章最后提出了自适应调温、AI辅助设计、规模化与可持续制造、系统集成四个发展方向。

相关综述以“Electrospun Radiative Coolers”为题，发表于《Matter》。作者为Leqi Lei、Dong Lv、Hao Li、Kaixin Lin和Chi Yan Tso，香港城市大学曹之胤讲座教授为通讯作者。

【背景】辐射制冷遇上静电纺丝：一张纤维膜同时管反射、发射和透气

辐射制冷能否把物体降到环境温度以下，取决于一笔热量账：向外辐射的热量，要多于吸收的太阳光、大气的反向辐射，以及与空气对流、导热带来的热量。因此材料要在0.3–2.5 µm的太阳光波段尽量少吸收，在8–13 µm的大气窗口（ATW）尽量多发射。正午太阳辐照约1000 W·m⁻²，哪怕只吸收一小部分，也足以抵消辐射散热。风速、湿度、云量、与基底的接触方式等因素，也会影响实测温度。

静电纺丝用高压电场把聚合物溶液拉成微纳米纤维：液面先被拉成泰勒锥，射流在飞行中不断弯曲拉伸，最后沉积成无纺纤维网络。纤维直径、孔隙率和核壳结构都可以通过溶液性质和工艺参数调节。和其他辐射制冷材料相比，涂料便于大面积施工，但性能受厚度、黏结剂和污损影响；致密薄膜透气性较差；泡沫和气凝胶偏脆，干燥工艺复杂；光刻和多层光子结构控谱精确，但工艺复杂、不透气。静电纺丝膜轻、柔软、透气，适合衣物、可穿戴器件等场景。图1是全文的框架：上方是太阳光谱与热辐射光谱，对应反射率和发射率两个调控目标；中间是三类材料和三类结构；下方是能量收集、肌电/心电监测、伤口护理、空气与细菌防护等应用。

图1 静电纺丝辐射制冷器（ERCs）体系概览：光谱设计、材料、结构与应用

【聚合物材料】种类最多、最易加工，太阳反射率最高达99.6%

聚合物是ERCs中用得最多的材料，好纺、柔软，可选种类也多。静电纺PEO薄膜的太阳反射率达到96.3%，8–13 µm选择性发射率为78%（图2A–B）。SEBS超构织物弹性好，可实现6.5 ℃的亚环境降温，同时具备Janus润湿性和透湿性，重新熔融后性能还能保持，具有回收利用的潜力（图2C–E）。0.2 mm厚的TPU膜结合了宽分布的纤维直径、梯度润湿性和相变微胶囊，太阳反射率为94.0%，在不同对照条件下皮肤温差为5.7–17.4 ℃（图2F–G）。表面带有SiO₂微球的PVDF纤维膜厚300 µm，不用金属背反射层，红外发射率0.96、太阳反射率97%，平均制冷功率61 W·m⁻²，最多比环境温度低6 ℃（图2H–J）。

PI、PVA、PLA和PTFE也被做成了制冷膜（图2K–N）。PI膜的太阳反射率达到99.6%，中红外发射率93%；PVA@SiO₂膜在阳光下比环境低约8.0 ℃；PTFE/SiO₂气凝胶膜在阳光直射下降温14.4 ℃；PLA被用在了制冷口罩上，可让模拟皮肤降温约2.7 ℃。作者认为，没有哪一种聚合物在各方面都最好，选材要把光学性能、力学性能、透湿、耐久性和加工方式放在一起考虑。

图2 聚合物基ERCs：PEO、SEBS、TPU、PVDF及PI、PVA、PLA、PTFE制冷膜

【陶瓷与蚕丝材料】陶瓷耐受1400 ℃以上高温，蚕丝织物让皮肤降温超过9 ℃

聚合物怕紫外、怕火，长期在户外容易老化，陶瓷纤维正好补上这块短板。陶瓷纤维一般先用溶胶–凝胶静电纺丝成型，再经高温煅烧制成。Si–O、Al–O、Zr–O键负责中红外发射，陶瓷与空气的折射率差负责散射阳光。缺点是煅烧耗能，材料偏脆。经1200 ℃煅烧的二氧化硅–氧化铝纳米纤维气凝胶（SAFA）太阳反射率95%、发射率93%，净制冷功率约133.1 W·m⁻²（图3A）。超疏水二氧化硅超构纤维（sh-SMF）太阳反射率97%、大气窗口发射率90%，最多比环境低6 ℃，让建筑和车辆模型分别降温12.7 ℃和17 ℃，同时能自清洁、阻燃，耐紫外和酸雨（图3B）。加入氧化锆的ZrO₂–Al₂O₃纳米纤维膜（sh-ZANF）太阳反射率提高到97.7%，发射率95.6%，制冷功率125 W·m⁻²，可耐受1400 ℃以上的高温。

蚕丝路线更偏向穿戴。蚕丝生物相容、透气、可水洗，纺成0.3–2 µm的纳米纤维后，尺寸刚好适合散射太阳光，不加无机颗粒也能高反射。把蚕丝纳米纤维芯层、e-PTFE中间层和机织蚕丝外层热压在一起，得到的多层蚕丝织物（MST）太阳反射率96.5%、中红外发射率97.1%，晴天白天最多比环境低5.1 ℃，已做成降温帽（图3C）。在双Janus蚕丝织物中加入Al₂O₃纳米颗粒和氮化硼纳米片后，太阳反射率达到97.12%、发射率98.69%，阳光直射下让皮肤降温超过9 ℃，还能把汗液单向导出（图3D）。

图3 陶瓷基与天然蚕丝基ERCs

【结构设计】从单层到Janus和多层：一张膜两面分工，翻面即可切换制冷与加热

材料选定之后，结构决定了各项性能能否兼顾。文章把结构分成单层、Janus和多层三类。单层结构靠纤维本身的形态做文章（图4A–C）：同轴纺丝得到的PDMS芯/PVP壳纤维结合液态金属后，拉伸到100%仍能导电；中空纤维内部的空气既能散射阳光，也能隔热，由此做成的隔热制冷器（TIC）室外降温约9 ℃，模拟显示在全国建筑上推广可减少48.5%的建筑制冷能耗；微金字塔阵列在1 kW·m⁻²光照下比对照样品低约4 ℃，同时还能用作传感器和能量收集器。

单层膜的问题是所有功能挤在一张网里，提高反射率往往要牺牲柔软度和透气性。Janus结构让膜的两面各管一件事（图4D）：一面制冷、一面加热，或者一面疏水、一面亲水，把汗从皮肤一侧导到外侧，也可以两者兼有。例如，PES–Al₂O₃/Ti₃C₂T_x Janus薄膜同时具备辐射制冷、太阳能加热和通电加热三种模式（图4E）；一种三层纳米纤维织物（HNF）在炎热条件下比白色棉布低7.2 ℃，在寒冷条件下比黑色棉布高12.2 ℃（图4F）。

多层结构把不同功能分到不同层，各层可以分别优化，代价是界面增多，可能分层。三明治结构的SNF织物翻面即可切换模式，制冷模式降温8.5 ℃，加热模式升温10.9 ℃（图4G）。梯度微纤维织物（GMFT）让孔径和氮化硼纳米片浓度沿厚度方向连续变化，避免了明显的层间界面（图4H）。作者认为，结构越复杂，越要算清楚这笔账：它是否解决了功能之间的冲突，放大生产、反复形变和长期使用之后效果是否还在。

图4 ERCs的三类结构：单层、Janus与多层

【光学调控】反射阳光、发射热量，拉伸一张膜即可从制冷切换到加热

光学调控要做两件事：把阳光反射掉，把热量发射出去。提高太阳反射率有三种办法。第一是掺入颗粒，利用颗粒与基体的折射率差增强散射，例如ZnO–聚乙烯复合材料可让模拟皮肤降温5–13 ℃（图5A–B）。第二是调控纤维分布，把不同直径的纤维和孔组合在一起，让不同波长的阳光都能被散射（图5C）。第三是利用拉伸：弹性纤维膜拉开后孔变大、膜变薄，反射率随之下降。一种无溶剂静电纺TPU膜（Es-TPU）不拉伸时太阳反射率95.6%、大气窗口发射率93.3%，制冷功率118.25 W·m⁻²，可降温10 ℃；拉伸到80%后反射率降到61.1%，转为加热状态，升温9.5 ℃（图5D–G）。同一张膜，拉一拉就能在制冷和加热之间切换。

发射这一侧，要根据使用场景选择宽带发射或选择性发射。宽带发射体在整个中红外波段都发射，适合本身发热的物体，例如一种高熵铬酸盐纳米纤维膜，发射率高、耐高温，可用于航天器（图5H–J）。选择性发射体只在大气窗口内发射，能少吸收周围建筑和地面的热辐射，更适合城市环境。一种光谱选择性分级织物（SSHF）太阳反射率0.97，大气窗口平均发射率0.85，在芝加哥的户外测试中比宽带发射体低2.3 ℃，比商用丝绸低8.9 ℃（图5K–M）。

图5 ERCs的太阳反射率调控与中红外发射率调控

【功能集成】制冷之外，还能发电、护理伤口、监测心电和防护

纤维膜多孔、比表面积大、柔软，除了制冷还能叠加其他功能。在资源与能量方面，混合被动冷却复合材料（HPCC）太阳反射率0.98，结合吸附–蒸发冷却，让户外变压器降温25.3 ℃，全程不耗电（图6A–B）。一款辐射制冷摩擦电鞋垫在25 N压力下输出电压114.5 V、功率密度445 mW·m⁻²，可为小型电子器件供电，强光下比棉布低9.5 ℃（图6C）。

在医疗和健康监测方面，W-cocoon敷料在阳光下让伤口模型降温3.9 ℃，在室内则能保温，升温1.9 ℃；表面超疏水、不粘血，可减轻揭除敷料时的疼痛（图6D–F）。在SEBS纤维中嵌入PTFE微颗粒制成的超构织物，阳光下降温17 ℃，集成液态金属电路后可连续记录心电（ECG）、肌电（EMG）和脑电（EEG）信号（图6G–I）。

在防护方面，负载SiO₂和ZIF-8的聚乙烯纤维膜对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的灭活率达到99.9%，同时降温4.5 ℃；辐射制冷口罩对PM_0.3的过滤效率达到99.988%，并让接触面降温2.8 ℃；聚酰亚胺包覆的h-BN/SiO₂核壳纤维膜导热系数仅0.026 W·m⁻¹·K⁻¹，兼具隔热、辐射制冷和阻燃，面向舱外航天应用（图6J–M）。作者提醒，集成最好借用同一套纤维结构，比如多孔结构既散射阳光，又能导湿和过滤。电极、涂层等附加层不能把原有的光学性能和透气性丢掉。

图6 ERCs与能量收集、医疗护理、健康监测和防护功能的集成

【总结与展望】

综上所述，这篇综述把静电纺丝辐射制冷器的研究放在“材料—结构—光学调控—功能集成”的框架里做了梳理。静电纺丝能调节纤维直径、孔隙率和多级结构，用来拓宽太阳光散射、调控中红外发射。聚合物加工方便、柔软，陶瓷适合高温和恶劣环境，蚕丝适合贴身穿戴；单层、Janus和多层结构则让制冷与导湿、加热、传感、能量收集等功能结合在一起。

对于下一步，作者提出了四个方向。一是自适应调温，让材料随温度和湿度自动切换制冷、加热和导湿状态。二是AI辅助设计，用代理模型替代部分全波仿真，再结合高通量静电纺丝和在线光学测试，形成“设计—制备—测试”的闭环。三是规模化与可持续制造：多组分和Janus结构需要在米级尺度上控制纤维形貌和填料分布；水基纺丝、低毒溶剂和无溶剂熔融纺丝可以减轻环境负担；统一的测试标准和加速老化方法也需要尽快建立。四是系统集成，把辐射制冷、集水、导湿、能量收集和传感放进同一个器件或系统。这些功能大多已被单独验证过，下一步是让它们协同工作。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.103053

https://authors.elsevier.com/a/1o2gZ9CyxdETl9

【通讯作者简介】

曹之胤（Edwin Chi-Yan TSO），香港城市大学能源及环境学院副院长（国际事务及拓展）、能源与可持续发展讲座教授。在香港科技大学获得工程学学士（一等荣誉）、哲学硕士及博士学位，曾以 Fulbright–RGC 学者身份赴美国加州大学伯克利分校交流。主要从事传热与热管理、被动辐射制冷、智能窗及节能功能材料研究，关注材料光热调控及其在建筑节能和个人热管理中的应用。

相关成果发表于 Science、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances 等期刊。获香港研究资助局2024/25年度 Research Fellowship、香港工程科技奖等资助与荣誉，并作为创冷科技（i2Cool）联合创始人推动辐射制冷技术的工程应用与成果转化。

课题组主页：https://edwintsolab.wixsite.com/laboratory