三明治状双功能石墨烯修饰PTFE超构织物用于辐射冷却和太阳能加热

1**成果简介 **

尽管被动辐射冷却和主动加热正在成为下一代智能个人热管理纺织品的两个基本功能，但将相反的冷却和加热集成到一个具有出色穿着舒适性和多环境适应性的织物中仍然具有挑战性。本文，北京化工大学于中振教授和杨冬芝教授在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating”的论文，**研究设计了一种具有独特三明治结构的双功能还原氧化石墨烯（RGO）修饰纳米多孔聚四氟乙烯（PTFE）织物，用于多场景个人热管理。**通过组装具有太阳热和高发射RGO层和高发射RGO层和可见透明聚二甲基硅氧烷支撑涂层的光谱选择性纳米多孔PTFE辐射冷却基板，将相反的冷却和加热功能集成到夹层结构的织物中。

所得的织物具有光谱选择性特性，具有高太阳光谱反射率（>90%，0.25-2.5 μm）和人体红外辐射范围内的高透明度（>90%，7-14 μm）。对于环境温度为36°C的辐射冷却，构织物可以散发皮肤的热辐射，并通过最外层可见的反射纳米多孔PTFE层防止太阳辐射热，与传统棉布相比，实现了3.2°C温度下降的辐射冷却。而对于太阳能加热，织物可以通过外部RGO层将太阳辐射转化为热量，保持更温暖的表面微气候，在 0 °C 的低温环境下，比传统棉布高出 17.0 °C。通过翻转织物的正反两面，可以轻松切换辐射冷却和太阳能加热模式，以适应各种场景。同时，这种双功能织物还具有柔韧性、透湿性、防水性、防污性和阻燃性等特点，因此具有显著的可穿戴性能。

2 图文导读

图1、（a） 描述超结构的辐射冷却和太阳能加热机制的示意图。（b） 说明制造NPTFE/RGO/PDMS超结构的示意图。（c） 大NPTFE织物和制备的织物的数字图片。（d） 超结构规则通孔结构的光学和（e）SEM图像。（f 和 g）织物NPTFE层的SEM图像。

图2、a） 在AM 1.5 G太阳光谱中分离的NPTFE层、RGO层和PDMS涂层RGO层的吸收。（b） NPTFE的FTIR总透射率和织物在HBIR范围内的红外发射率。（c） 说明室内辐射冷却测量的示意图。（d） 在26.9°C的环境温度下，用不同纺织品覆盖的模拟皮肤的实时温度和（e）平衡温度。（f） 室内辐射冷却性能与文献中报告的比较;红色区域中的正值表示与裸露模拟皮肤相比的温度升高，而蓝色区域中的负值表示与覆盖棉花的皮肤相比的温度下降。（G–I）覆盖手指和手臂的织物的辐射冷却效果。

图3、（a）在太阳光照射下进行太阳能加热和随后的冷却过程中织物的实时温度曲线和（b）红外图像。（c） 不同太阳光强度下织物的太阳热转换性能。（d） 太阳能热加热测量装置和（e） 0°C寒冷环境中织物、NPTFE和棉花的红外图像。

图3、（a、b） 显示测量室外制冷和供暖性能的实验装置照片和示意图。（c） 室外辐射冷却和 （d） 太阳能热加热测量期间，不同纺织品覆盖的模拟皮肤的实时温度。太阳辐照度和环境温度记录。

图4、（a）水蒸气透过率，（b）透气性和（c）不同纺织品断裂伸长率的图。（d） 显示织物弯曲的数字图片。（e） 织物在洗涤-干燥循环后的发射率和太阳能热加热性能。（f） 织物的PDMS和PTFE层在30°倾斜板时的防水性能。水滴被滴到超结构的不同侧面，并记录它们滑落到底部所需的时间。（g） 棉纺织品和织物在热火焰上的燃烧实验。

3**小结 **

综上所述，本文设计了一种三明治结构的双功能织物，集被动辐射冷却、太阳能加热和令人满意的耐磨性于一体，适用于多场景PTM。通过对NPTFE织物进行简单的PDA亲水改性以及随后对高发光和太阳能热RGO层和可见透明的PDMS支撑层进行叶片涂层来制备织物。得益于光谱选择性透明NPTFE基材，所得织物在太阳光谱中表现出出色的反射率（>90%），在被动辐射冷却的HBIR范围内表现出优异的透明度。因此，它可以直接将热辐射散发到外部环境，并防止太阳辐射加热与最外层的不透明NPTFE层，导致模拟皮肤在3°C的环境温度下比商业棉布的温度下降2.36°C。

通过简单地翻转织物，可以实现基于裸露的广谱吸收RGO层的高效太阳能加热，在0°C的寒冷环境中表现出令人印象深刻的太阳能加热性能，比商业棉布高17.0 °C。此外，超构织物在户外场景中仍保持其较高的PTM性能，并表现出出色的耐磨性、透气性、防水性、防污性和阻燃性，显示出可穿戴全天候PTM应用的巨大潜力。





审核编辑：刘清