上海微系統研究所王博翔團隊、川大肖明教授ACS Energy Lett.：電化學驅動可動態變色的日間輻射冷卻器

彩色日間輻射冷卻器在熱管理且對美學敏感的應用中具有吸引力。然而，現有的彩色日間輻射冷卻器僅提供靜態顏色，并且由于顯著增加的太陽能吸收而不能實現顏色切換的同時保持持續的亞環境冷卻能力，限制了其在諸如室外動態信息顯示器等領域的潛在應用。為了解決這一挑戰，本研究開發了動態日間輻射冷卻器，可以同時實現電化學驅動的顏色切換和低溫冷卻。這種雙重功能是通過可逆金屬電沉積可重構的高質量光學納米腔實現的，首次允許電致變色，激勵的動態操縱/窄帶共振吸收的消失。與陽光直射下的內部空氣相比，這些設備實現了2.6 - 5.3°C的低于環境溫度的冷卻，并表現出高穩定性和可編程動態彩色顯示器靈活性。這項工作大大擴展了輻射冷卻技術的應用場景，并為下一代節能和多功能智能設備的可持續發展提供了新的范例。相關工作以Daytime Radiative Cooling with Electrochemically Driven Dynamic Colors為題發表在ACS Energy Letters期刊。

本文從戶外動態信息屏對“彩色-降溫”雙功能需求出發，設計了如圖1所示可逆電沉積Ag的平面納米腔電極（PME），在ITO/TiO?/Pt基底上構建Fabry-Pérot共振結構，制備出動態彩色輻射制冷器件（DCMRC）。實測圖2：在555 nm處反射率可由0.88可逆調至0.68，太陽反射率維持0.92，MIR發射率0.90；循環500次無衰減。圖3室外測試顯示器件始終低于環境2.6-5.3 °C，最高降溫8.1 °C；圖4 5×5像素陣列實現“SIMIT”動態圖案，全球36城替代LED/EC屏可省電0.9-54.9 kWh m?2。圖5柔性PET版100 cm2大面積均勻變色，皮膚側降溫5.8 °C，驗證其可擴展與可穿戴應用潛力。

圖1.通過結合基于金屬納米腔的電極和基于Ag的RMED的主動顏色調節機制。（a）DCMRC實現具有持續輻射冷卻能力的顏色切換的示意圖。該設備可以在漂白和/或漂白之間切換。（不含EDAg）和彩色（具有ED-Ag）狀態。具有和不具有ED-Ag的PME的示意圖，以及通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）觀察的電沉積之前和之后的相應形態。（b?e）模擬光譜和平均太陽反射率、透射率，以及不含ED-Ag的PME的吸收率（b，c）和含ED-Ag的PME的吸收率（d，e）。（f）在PME上的頂部Ag鏡層和ITO腔的不同厚度下，漂白和彩色狀態之間的太陽反射率差異。所有PME都具有50 nm的TiO2層。圖1b-e中的PME結構由洋紅色星星標記。（g）具有50 nm TiO 2層的PME的顏色樣本在顏色狀態下作為PME上的頂部Ag鏡層和ITO腔的厚度的函數。不透明ED-Ag層的厚度設置為200 nm。虛線由在Tamb = 30 °C下實現Pnet = 0的相應結構確定（圖S9）。（h）在323和303 K下電沉積Ag和具有被動冷卻能力的相應PME之后，所有PME（頂部Ag層：10-50 nm，ITO腔：0-120 nm，TiO2腔：10-50 nm，Pt：10 nm，和ED-Ag：200 nm）的色域。

圖2. DCMRC的表征。（a）測量的光譜反射率（0.3-2.5 μm）的洋紅色DCMRC，具有40 nm的頂部Ag層（DCMRC-1），（無色）和彩色狀態。（b）測量的光譜反射率（0.3-2.5 μm）的洋紅DCMRC與30 nm的頂部Ag層（DCMRC-2）在漂白（無色）和彩色狀態下。（c）DCMRC的光譜發射率（2.5-20 μm）。(d)左側：EDX圖譜對應于Ag電沉積前后PME橫截面的STEM圖像（圖1a（插圖））。元素：Ag、O、Si、Ti、In、Sn和Pt）。右：Ag電沉積前后PME表面形態的SEM圖像。ED-Ag膜與PME一起構建納米腔，導致在特定波長處激發FP共振。(e)在施加循環電壓期間，DCMRC在可見光譜中的光譜反射率。（f）在555 nm處測量的實時反射率變化。在8 s的休息時間后施加?2.7 V（30 s）和+1.2 V（30 s）的循環電壓。（g，h）DCMRC的循環壽命測試。（諧振波長）可以保持500次循環而不劣化，而超過300-1000 nm的高平均反射幾乎保持不變（~ 0.89）。

圖3. DCMRC的室外冷卻性能。（a）DCMRC-1的恒電位循環曲線和相應的顏色切換。（b）在太陽強度高達740 W/m2的測試裝置中，DCMRC-1的測量溫度與環境空氣溫度的比較。（c）DCMRC-1與環境空氣溫度的相應溫度下降。（d）DCMRC-1的溫度（e）與環境空氣溫度相比，DCMRC-1的相應溫度下降。（f）DCMRC-2、高反射白光LED器件和商業EC顯示器件的溫度（潘尼：PSS）在800 W/m2的太陽輻照度下。（g）DCMRC-2（中心）、高反射白光LED器件（右）和商業EC顯示器件的圖像EC顯示器件（本公司的DCMRC-2和PANI：PSS系EC器件）的反射色在強烈的陽光下具有很高的可見度，而LED器件發出的光在這種環境條件下是不可見的。

圖4.基于我們的DCMRC的多路可編程信息顯示器。（a）5 × 5多路可編程DCMRC的結構和制造。首先將對電極粘合到橡膠墊片上，然后將電解質注入中空區域。然后將工作電極放置在頂部，確保與電解質完全接觸。（b-c）由我們的DCMRC產生的加色（b：紅色、綠色和藍色）和減色（c：青色、洋紅和黃色）的測量反射光譜和圖像。（d）在室內條件下顯示藍色“SIMIT”圖案的5 × 5多路復用顯示器的照片。（e）5 × 5多路復用顯示器的照片，在戶外條件下顯示洋紅色的“SIMIT”圖案。我們的多路復用可編程DCMRC的反射色在陽光下具有高可見度和可讀性。（f）DCMRC與商業EC顯示器的全球電力節能潛力比較圖（PANI：PSS）。藍色圓圈表示節能值，其按圓圈的面積縮放。

圖5.用于熱管理和信息顯示的柔性DCMRC。（a）柔性DCMRC原理圖和工作原理。（b）彩色圖案柔性DCMRC照片。（c）柔性品紅色-DCMRC和商業品洋紅包裝膜的測量的太陽能反射光譜。（d）附著于人體皮膚的柔性DCMRC和商業包裝膜的熱照相機圖像和相應照片。在著色狀態下，我們的DCMRC可以實現105.8 °C的冷卻效果，與具有類似顏色的商業包裝膜相比。在10 cm × 10 cm柔性DCMRC的三個不同點處測量反射光譜，以證明從邊緣到中心的均勻著色。10 cm × 10 cm柔性DCMRC（著色狀態）。

小結：綜上所述，本研究將可逆金屬電沉積技術和納米腔設計相結合，開發了一種動態著色策略，在保持白天被動冷卻能力的同時具有優異的著色性能。通過利用這種著色策略，本文制備了在著色和漂白狀態下均具有0.92和0.93的高平均太陽反射率的DCMRC，與暴露于直接太陽輻射的環境相比，在顏色切換期間允許2.6?5.3 °C的溫度下降。同時，即使經過500次循環，這些器件依舊可以動態地激發和消除用于顏色切換的FP共振。研究進一步開發了一系列多路復用可編程DCMRC，作為將動態信息顯示與低于環境溫度的輻射冷卻相結合的概念驗證。這些設備不僅展示了本研究的產品不僅具有信息顯示能力和在陽光下的高色彩可見度，而且在室外條件下比PANI：基于PSS的商用EC和LED顯示屏的被動冷卻溫度高12.7和16.6 °C。同時，本文的產品還與柔性基板兼容，實現了多功能性，包括可圖案化顯示、可穿戴性和被動輻射冷卻。本文的100 cm2柔性DCMRC也可以實現大規模的動態顯色，這比已報道的RMED器件大得多。此外，DCMRC可以顯示出比PANI：基于PSS的商業EC和基于Si的LED顯示器更出色的節能能力。本文的動態顯色策略，沿著前所未有的性能，為將被動輻射熱管理集成到動態顯示技術中鋪平了道路，為節能戶外顯示器打開了大門。

論文信息：Jin, S., Yi, F., Gong, Z., Yang, D., Peng, Y., Hou, J., ... & Wang, B. (2025). Daytime Radiative Cooling with Electrochemically Driven Dynamic Colors. ACS Energy Letters, 10, 5993-6003.

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