来源 | nature sustainability

链接 | https://doi.org/10.1038/s41893-026-01774-2

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背景

全球暖通空调与空间供暖系统消耗大量能源，是温室气体排放的核心来源之一；而个人热管理（PTM）技术可直接在人 - 环境界面调控热传递，是替代传统集中式温控、实现可持续发展的核心路径。现有技术的核心瓶颈：被动式热管理材料仅能实现单一的加热或制冷功能，缺乏对动态环境的快速、精细适配能力，无法全场景维持热舒适；电致变色技术现有方案多依赖液态电解质，存在泄漏、柔性差、安全性低的问题，金属沉积 / 石墨烯基体系需高驱动电压或持续供电，导电聚合物体系则存在光谱调谐范围窄、状态保持时间短的缺陷；热致变色材料仅能被动响应温度变化，响应速度慢、无用户自主可控性，机械柔性差，无法适配可穿戴场景；机械开关式设计存在显著的热接触电阻，需外部驱动，无法实现连续宽带调制，不适合可穿戴应用。需要开发一款全固态、低功耗、柔性可规模化制备的器件，在单一平台同步实现太阳加热与辐射制冷的动态可逆调控，解决现有技术的核心痛点。

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成果掠影

近日，北卡罗来纳大学教堂山分校白武斌团队和杜克大学Willie Padilla等携手提出一种全固态自主变色热管理薄膜（ACCS），通过将溶液法制备的樟脑磺酸掺杂聚苯胺（PANi-CSA）电极、固态氧化铝–离子凝胶电解质、蛇形金集流体与聚乙烯（PE）封装层集成，创新性地在单一低功耗平台集成了太阳加热与辐射制冷双功能；ACCS 实现宽光谱光学可调，仅需±1.3 V 偏压即可在加热与制冷模式间动态切换，且无功耗保持状态超过 24 小时。器件实现太阳吸收率约40%、中红外发射率50% 以上的调控，户外模式间温差最高达15.5 °C。所有功能层均可溶液加工，支持滴涂、卷对卷等规模化制备。该柔性、近零能耗平台实现了低功耗自适应个人热管理，为未来可穿戴设备、建筑材料等领域提供了一条可持续、可规模化的热管理技术路线。研究成果以“Solution-processed electrochromics for synergistic solar and radiative heat management” 为题，发表于《nature sustainability》期刊。

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图文导读

图1| ACCS的设计具有可调的可见光和红外光光学特性，可用于热管理。a，受变色龙启发的温度调节概念：深色皮肤在寒冷条件下吸收太阳光（左），浅色皮肤在炎热条件下反射太阳光（右）。b，ACCS的分解示意图：具有中心白色离子凝胶多层结构（P（AAm-co-AA）- EMIES），夹在PANi-CSA和金蛇纹石层之间，封装在具有可见光和红外透明性的PE层中。工作原理：PANi-CSA可在翠绿亚胺状态之间切换（绿色）表示加热和无色翠绿色状态（绿色），用于通过施加的电压进行冷却。d，基于ACCS的可穿戴装备的示意图，用于通过在寒冷天气（左）、炎热天气（右）或其间的任何阶段中的优化体温来确保用户的舒适度、健康和生活质量。一张缠绕在手指上的ACCS照片，显示了能力范围。比例尺，5厘米f，一张用很大的力扭转ACCS的照片。比例尺，6毫米g，一张ACCS的照片，尺寸为420毫米× 580毫米× 2毫米。比例尺，200 mm。插图：ACCS的放大视图。比例尺，10 mm。

图2| PANi-CSA（ACCS的主要组成层）的电化学和光学特性的实验表征。a，在三电极电池中，以铂为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，在50 mV s−1下，在1.0 M CSA水溶液中记录PANi-CSA的测量循环伏安图。扫描从相对于Ag/AgCl的0 V开始。b，LS、ES和PS的化学结构和光学性质的示意图，代表了不断增加的氧化态。c，在不同电压下记录的PANi-CSA的实测FTIR光谱，突出了与人体热辐射相关的8-13 µm范围内的可调谐性。d，PANi-CSA在8-13 µm范围内的重量平均发射率测量值，外加电位范围为−0.3 V至+0.8 V（相对于Ag/AgCl）。插图：大气透射光谱突出了8-13 μm波长范围与热辐射的强相关性。PANi-CSA在3种电致变色状态（即，原始状态）下在−0.3 V下测得的UV-Vis吸收光谱（最大冷却模式，LS）和+0.5 V（最大加热模式，ES），并给出了加权平均值。AM1.5太阳光谱作为参考。示意图比较了电聚合的薄PANi层（i）和溶液浇铸的厚PANi-CSA层（ii）之间的光学对比度变化的机理。

图3| PANi-CSA（ACCS的主要组成层）的光学性质的计算表征和优化。a.模拟的二维等值线图，展示PANi-CSA膜的角度相关发射率（厚度6 µm）。b，LS和ES之间的发射率对比方差的模拟等值线表示，作为PANi-CSA厚度和波长的函数。c，对于PANi-CSA的单个板，+0.5 V和-0.3 V的偏置之间的吸收率差异的彩色图，显示了层厚度和波长的依赖性。d-f，吸收率（d）的彩色图，在−0.3 V的偏压下，PANi-CSA单板的透射率（e）和反射率（f），显示出与层厚度和波长的依赖关系。g.在加热和冷却两种模式下测量的ACCS的吸收率和发射率的实验光谱和模拟，证明了模型引导的优化方法的性能。

图4|表征ACCS的其他组成层和性能概况。a.离子凝胶组成的示意图：P（AAm-co-AA），在EMIES中具有嵌入的Al₂O₃纳米颗粒。PAA，聚（丙烯酸）; PAAm，聚丙烯酰胺。B，离子凝胶样品阻抗测量的奈奎斯特图（6.145 g），具有不同质量（0.6-1.0克）包埋的Al₂O₃纳米颗粒。插图：- 用于拟合的等效电路，其中Qel是电极界面处电容的恒定相位元件，Qc是离子凝胶-Al₂O₃的体电容的常数相元素，Rc是凝胶的总电阻。c，加入0.6- 1.0g Al₂O₃纳米颗粒的离子凝胶的测量的UV-Vis-NIR反射光谱。测量的PE薄膜的透射光谱（厚度约16 µm），层压有Au蛇形集流体网（厚度约1 µm）。左插图：印刷的实验室徽标上的薄膜光学图像。比例尺，1 cm。右插图：薄膜在加热至37 °C的热板上的热图像。比例尺，1 cm。例如，横向分析，比较了ACCS与早期热调节装置的灵活性和切换时间（e）、材料相和发射率可调性（f），和可实现模式的数量（g）。阴影圆圈和条表示文献6 - 20，25 - 34，44 -56中报告的相关研究对于f，MWIR和LWIR表示中波红外线（3-5 μm）和长波红外线（8-14 μm），后缀S和IR表示操作光谱区域（分别为太阳能和红外线）。连接数据点的线表示所连接的端点属于同一设备。在g中，蓝色条表示仅制冷设备，黄色条表示仅加热装置，双色线表示双模式操作。谱区边界处的不一致性表明，给定模式在不同谱区产生相反的效果。x轴上的缩略语（g）：PLA，聚乳酸; PTFE，聚四氟乙烯; NP，纳米颗粒; poly（Vdf-HFP），聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）; PEO，聚环氧乙烷; TPX，聚甲基戊烯; PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯; DOP，邻苯二甲酸二辛酯; PMP，聚（4-甲基-1-戊烯）; PDA，聚多巴胺; PVDF，聚（偏二氟乙烯）; PI，聚酰亚胺; TPU，热塑性聚氨酯; AgNWs，银纳米线; ITO，氧化铟锡; PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯; PEDOT：PSS，聚（3，4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐; PDPA，聚（二苯胺）; pNIPAm，聚（N-异丙基丙烯酰胺）; LDPE，低密度聚乙烯; Li-NMC，LiNiMnCoO₂。

图5| ACCS的热管理性能的实验证明。a.在冷却模式下拍摄的PANi-CSA的红外热像（左列，施加电位− 0.3 V与Ag/AgCl）和加热模式（右列，外加电位+0.5 V vs Ag/AgCl），在35 - 75 ° C的热板上（从上到下）。比例尺，1 cm. b，原始PANi-CSA薄膜对人手辐射反射的红外温度图，突出显示原始状态下的高红外反射率。比例尺，2 cm. c，用于热损失测量的温度可控室的示意图。d、在各种温度调节模式下，测量的ACCS热损失（加热、冷却和动态调谐）（16 - 25 ° C）。水平色带标记了一个代表性的、用户可选择的、接近人体代谢热的热损失窗口（~109 W/m²）。数据表示为n = 3次测量的平均值±标准差。e，教堂山屋顶上的实验装置照片，北卡罗来纳州。设置包括2个ACCS（1个在加热模式下，另一个在冷却模式下），一块商用冷却织物（100%棉织物）、太阳能计和定制的温度采集系统。在10月份的24小时内，在加热和冷却模式下测量了ACCS的实时太阳辐照度和温度，并测量了商用冷却织物。

图6|演示ACCS的坚固性、温度稳定性、可持续性和耐磨性。a，ACCS颜色变化的循环时间序列和施加到ACCS的132小时间歇性（20秒）偏压期间的电流变化，从−1.3 V到+0.2 V，到+0.5 V，到+0.8 V，再回到−1.3 V。比例尺，1 cm。B，用于个人体温调节的闭环系统的功能框图。该系统包括一个腕带状的ACCS、一个说明性的渲染用户界面、一个作为电源的柔性太阳能电池板以及一个用于供电和数据处理的fPCB。LED，发光二极管。c，腕带式ACCS的FEA. ε表示应变. d，e，人手腕上的ACCS在阴天（d）和晴天（e）的照片. ACCS偏向于深绿色外观的加热模式（d）和绿色外观的冷却模式（e）.环境温度（深绿色线），皮肤温度（橄榄绿线），相对湿度（黄线），外加偏压（浅橙色线）、ACCS红外发射率（深橙色线）和相对热流（红色线）被无线发送到智能手机。f.在人的手腕上演示无线操作的ACCS。除了ACCS之外，可穿戴系统还集成了温度和湿度传感器、基于无线控制模块的BLE和小型柔性太阳能电池板。