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数据库雷党愿研究组 Nature Energy | 一步法自分层生物质涂层实现无吸收全彩日间辐射制冷
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导读
随着全球气候变暖加速，建筑制冷能耗持续攀升，炎热地区空调制冷能耗占夏季电力消耗的50% 以上。传统的白色或银色辐射制冷材料虽能高效反射太阳光，但其单一色彩难以满足建筑多元化美学需求，且镜面反射易产生光污染，严重限制了其应用场景。因此，如何在保持材料优异制冷性能的同时赋予纯白衬底丰富可调的色彩，成为辐射制冷领域亟待突破的关键科学问题。
传统彩色涂层通常依赖染料或颜料等吸光着色剂，通过吸收特定波长可见光来呈现吸收互补色，却不可避免地产生寄生加热，显著削弱制冷效果。荧光着色虽然从一定程度上能改善这一问题，但其显色仍以光吸收为前提，即吸收紫外或短波可见光后发射更长波长的可见光。然而，受限于荧光粒子吸收-再发射效率瓶颈，即斯托克斯位移导致的固有能量损失，发射光子能量低于吸收光子能量，剩余能量仍以振动、旋转等非辐射形式耗散为热，严重制约了其辐射制冷效果。相比之下，结构色可通过干涉或散射产生，不涉及光吸收，为实现“无太阳光吸收”的彩色辐射制冷提供了理想路径。然而，现有结构色辐射制冷系统往往依赖复杂、多步骤的制备工艺（如光刻、多层沉积），且多使用合成材料和高真空设备，成本高昂，难以规模化应用。
近日，香港城市大学雷党愿教授研究组（刘颖博士为第一作者）开发了一种全新的“一步法自分层相分离”技术，以生物质衍生物乙基纤维素为原料，通过单次刮涂并结合可控干燥诱导的自发分层，成功制备出兼具全彩无吸收结构色与高效辐射制冷功能的双层乙基纤维素（BCEC）涂层。该涂层的上层通过薄膜干涉实现全彩显色且不吸收太阳光，底层多孔结构则提供高达97.0%的太阳光反射率；同时，乙基纤维素的分子振动在大气透明窗口内赋予涂层高效的红外发射能力。在800 W m-2的太阳辐照下，该涂层可实现最高9 °C的日间亚环境冷却。在香港高湿亚热带气候的实地测试中，其性能显著优于商用彩色涂料及荧光基彩色制冷涂层。该研究成果近日以“One-step-processed bilayer ethyl cellulose for full-colour sub-ambient daytime radiative cooling”为题发表于Nature Energy。该研究联合了德国哥廷根大学Marcus Müller教授、北京大学杨荣贵讲席教授、中国科学院长春光机所李炜研究员、香港城市大学戴建国讲座教授以及合肥工业大学宣庆东副教授共同完成。
一、创新技术：一步法自分层相分离
如图1所示，研究团队开发的一步法制备工艺的核心是将乙基纤维素/二甲基甲酰胺（EC/DMF）溶液在控湿环境中浇铸后自然干燥，利用非溶剂诱导相分离（NIPS）实现自分层，仅通过单次成膜即可形成功能差异化的双层结构，无需复杂设备和后续修饰，大幅简化制备流程。
图1：一步相分离法制备无损彩色双层辐射制冷涂层的示意图
图源：Nature Energy 2026
1. 相分离自分层机制
为深入理解该双层结构的形成机制，研究团队结合蒙特卡洛粗粒化模拟与实时光学监控（图2），揭示相分离过程包括三个阶段：首先，溶剂DMF蒸发，诱导聚合物在表面富集，形成致密皮层；随后，DMF与非溶剂水发生交换，在皮层下方触发相分离，干燥后形成微纳多孔结构；最后，整体结构趋于稳定，形成边界稳定的双层结构。这一双层结构的形成，完全依赖于非溶剂诱导相分离过程中的自组织行为，无需任何额外的图案化或多层沉积步骤。此外，通过调控前驱体溶液中乙基纤维素的浓度，即可精确控制顶层厚度与底层孔隙结构，为色彩调控和光学性能优化提供了简易可行的技术路径。
图2：相分离过程的模拟分析与实验观测
图源：Nature Energy 2026
2. 无吸收全彩显色原理
BCEC涂层的色彩并非源于传统染料或颜料的光吸收，而是来自顶层超薄致密膜的薄膜干涉效应。该顶层薄膜厚度在数百纳米尺度，当入射可见光在其上下界面分别发生反射时，两束反射光产生干涉，通过相长干涉实现对特定波长可见光的定向反射，从而呈现出绚丽色彩。
研究发现，调节前驱体溶液中乙基纤维素与DMF的质量比（从1:20增至1:10），可使涂层整体厚度由390 μm增加至800 μm。与此同时，顶层厚度也相应地从约300 nm增至490 nm。通过这种协同调控，涂层最终能够实现从蓝色、黄色、红色、玫红到绿色的全色域调控（图3a）。研究团队系统测量了不同入射角度下的角度分辨反射光谱（图3b）。随着入射角从10°增加到60°，由于光程差减小，反射峰中心波长发生蓝移。当涂层整体厚度增加时，反射光谱呈现明显的红移趋势（图3c）。基于传输矩阵法的薄膜干涉模拟结果（图3d–3e）与实验测量值高度吻合，验证了结构色的薄膜干涉起源。在特定入射角度下测得的单个波长反射强度的角分布进一步佐证该机制（图3f）。通过调节薄膜厚度和观测角度，该涂层可在CIE 1931色度图上覆盖宽广的色域范围（图3g），实现了全彩调控。值得强调的是，这种显色方式不涉及任何太阳光吸收，从根本上避免了光吸收所带来的寄生产热。
图3：结构色的实验表征与传输矩阵模拟
图源：Nature Energy 2026
二、高效太阳光反射与辐射制冷性能
BCEC涂层的双层结构实现了无损显色与辐射制冷功能的完美分离与协同，顶层负责显色、底层保障制冷，二者各司其职，共同造就了涂层优异的光学性能和制冷效果。
1. 多孔底层：高太阳光反射+高效红外发射
如图4a-c所示，底层的微纳层级多孔结构（孔径 100 nm–8.5 μm）结合乙基纤维素（折射率1.48）与空气（折射率1.0）之间的高折射率差产生强烈的宽带米氏散射，实现太阳光全光谱的高效散射。涂层厚度越大，散射界面越多，反射率越高。当厚度为 800 μm 时，涂层的太阳反射率高达97.0%，显著优于现有的染料基、荧光基及其它结构色辐射制冷材料。此外，在中远红外波段，乙基纤维素的分子振动和旋转等模式提供了本征高红外发射，在大气透明窗口（8–13 μm）内热发射率高达0.900–0.921，使其能够高效地将热量辐射至寒冷的外太空。
2. 理论制冷功率优异
基于光学性能的理论计算，在30 ℃环境下，该涂层与环境同温时的最大制冷功率达 102.0 W m-2（图4d）；理想绝热条件下，理论可实现30.6 ℃的亚环境冷却；即使在不同非辐射热交换系数下，也能实现 6.4~15.3 ℃的有效温降，制冷性能远超现有彩色辐射制冷材料。本研究引入辐射制冷能力（RCC）指标对涂层的制冷性能进行了综合评价。如图4e所示，该涂层的RCC可达0.686，显著高于染料基（0.387）、荧光基（0.622）和其它结构色（0.593）设计的彩色辐射制冷材料。
图4：双层乙基纤维素涂层的结构、光学与制冷功率表征
图源：Nature Energy 2026
三、多场景实测试验，验证优异制冷性能与环境适应性
研究团队在香港高湿亚热带气候下开展了连续多日的户外实地测试，同时完成了耐久性、基材适配性、可回收性等一系列性能验证，充分证明了BCEC涂层的实际应用潜力。
1. 户外日间亚环境冷却效果显著
在香港11月的户外测试中，在红外透明PE膜有效隔绝热对流/传导的条件下，BCEC涂层（绿色、红色、蓝色）表面温度始终低于环境温度；在正午12:00-14:00（太阳辐照平均功率密度830 W m-2，环境温度约30 ℃，湿度20%），绿色、红色、蓝色涂层平均亚环境冷却分别达6.4、4.9、4.6 ℃，最大冷却效果高达9.0 ℃。
即使在无红外透明PE膜防护、热对流/传导未抑制、湿度70%的测试条件下，BCEC涂层仍能实现3.7~4.3 ℃的亚环境冷却；与商用彩色涂料相比，最大降温分别达20.6 °C、14.5 °C和11.1 °C，性能远超该研究组2024年报道的黄色荧光涂层（仅降温2.8 °C）。
2. 优异的环境耐久性与实用特性
环境稳定性：经1440小时高强度紫外辐照（等效自然环境约4年）、1440小时高低温循环（70 ℃/4 ℃）、480小时99.9%高湿处理后，BCEC涂层的太阳光反射率、红外发射率和显色效果几乎无变化，而商用彩色涂料出现明显褪色；
基材适配性：可在木材、钢材、混凝土、柔性聚合物薄膜等多种基材上成膜，亲水基材可滴铸成膜，疏水基材可刮涂成膜，适配不同建筑场景；
可规模化与可回收：一步法工艺可制备10 cm×10 cm的大尺寸涂层，刮涂工艺可实现连续成膜；涂层可经研磨、溶解后重新成膜，且光学性能与制冷效果无损失，实现材料循环利用。
四、显著节能减碳潜力，兼具经济与环境效益
研究团队基于美国能源部提供的独立建筑模型，对中国33个城市开展了BCEC涂层的建筑制冷节能潜力分析。结果显示：该涂层可实现每年15.1~39.1 kWh m-2的制冷节电，远高于商用彩色涂料（0.08~27.0 kWh m-2），且在南方高温城市节能效果更显著（如香港达33.8 kWh m-2，吉林为13.6 kWh m-2）。节能直接转化为显著的减碳效益。香港地区应用BCEC涂层可实现23.2~23.7 kg m-2的CO2减排，远高于商用彩色涂料0.2~16.7 kg m-2的减排水平。
技术经济分析表明，BCEC涂层的制备成本仅为6.04~7.24 USD m-2，远低于该研究组报道的荧光基彩色涂层（28.59 USD m-2）和其他文献报道的染料基彩色涂料（11.95 USD m-2），在香港地区的投资回收期仅5个月；全生命周期评估显示，在有效溶剂回收的前提下，BCEC涂层的全球变暖潜值、呼吸效应等环境影响指标均低于商用石油基涂料，兼具经济与环境双重效益。
图5：户外降温性能
图源：Nature Energy 2026
五、总结与展望
该研究以生物质基乙基纤维素为原料，通过一步法相分离工艺实现了双层结构无吸收全彩辐射制冷涂层的可控制备，将鲜艳结构色与高性能辐射制冷完美结合，解决了传统辐射制冷材料“白/银色为主、无美学价值但有光污染”和彩色制冷材料“光吸收产热、制冷性能低”的双重痛点，同时具备制备简易、成本低廉、环境友好、可规模化的优势。
该涂层不仅在建筑节能领域具有巨大应用潜力，可有效降低建筑制冷能耗、缓解城市热岛效应，还可拓展至车辆、纺织品、户外设备等领域的被动冷却，为辐射制冷技术的实际工程化应用开辟了新路径。展望未来，该研究组将进一步优化干燥动力学，提升涂层的耐水性，推动该技术向产业化落地迈进。
论文信息
Ying Liu et al., One-step-processed bilayer ethyl cellulose for full-colour sub-ambient daytime radiative cooling. Nature Energy (2026).
https://doi.org/10.1038/s41560-026-02039-0
编辑：赵阳
