在全球能源危机和气候变化的背景下，建筑领域的节能减排需求持续增长。炎热季节和地区的建筑制冷能耗更是导致电网负荷高峰的重要因素，因此发展具有突破性的“零耗电”冷却技术至关重要。被动式日间辐射制冷（PDRC）通过“大气透明窗口”将热量以中红外辐射形式直接散发至寒冷的外太空，为实现这一目标提供了极具前景的解决方案。
当前，材料科学的研究范式正在发生重要转变，从追求单一性能的极致优化，转向探索多功能集成与协同。这一趋势为PDRC技术带来了新的发展机遇。
多功能集成与协同主要围绕3条路径展开：一是与智能光学材料耦合，实现从“持续制冷”到“按需调节”的智能跨越。二是与能量收集材料集成，实现从“能量耗散”到“冷却−发电协同”的能源循环。三是以辐射制冷材料作为一种可灵活设计的功能载体，与发光、传感等模块一体化集成，推动PDRC技术从传统的建筑节能领域向可穿戴电子与智能感知等新兴领域拓展。
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辐射制冷−智能热管理功能耦合
为实现全季节、全天候的精准温度调控，辐射制冷技术正逐步与多种智能响应材料及结构相融合，构建功能耦合的智能热管理平台。该类系统可依据温度、湿度等环境信号实现被动响应，或通过机械力、电场等外场进行主动调控，动态切换其光学与热管理性能，从而实现“制冷−加热”双模式甚至多模式的自适应切换，为建筑节能等领域开辟了新途径。
1.1 被动响应型
1.1.1 温度响应
为实现全季节高效热管理，温度自适应辐射制冷技术应运而生，为零耗电、自适应的热管理提供了一条可行路径。
在自适应热管理领域，多项研究展示了多种智能调控路径。Min等开发了聚N−异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶/Al2O3复合智能热开关，实现了夏季低于环境5 K的辐射制冷与冬季550 W·m−2的太阳能加热。Tang等基于W掺杂VO2的相变制备了温度自适应辐射涂层（TARC），在全气候区展现出优越的节能潜力。Wei等开发了耦合辐射制冷与微胶囊相变材料的动态自适应元织物（DREAM），显著提升了全天候气候适应性。Zhang等开发了一系列基于形状记忆聚合物驱动的零耗电双模式热管理器件，实现了全被动的“加热−制冷”模式切换。如图1所示，优化后的器件获得了极高的平均加热功率和平均冷却功率，并能将实际应用中的温度波动降低约21 K，显示出全年节能应用潜力。
图1 零耗电智能双模式辐射热管理装置
1.1.2 湿度响应
湿度响应型辐射制冷材料将大气中的水分作为 “调控开关”，使器件能在干燥条件下高效散热，在湿润环境下则改变光谱特性降低冷却强度，甚至转入保温模式，从而实现对建筑热负荷的自适应调节，有效提升了系统在全天候条件下的综合能效。
Fei等通过一步法制备了聚偏二氟乙烯（PVDF）乙基纤维素可切换分级多孔涂层（HPC）。其核心在于设计了“纳米孔基质嵌入垂直微米孔”的分级结构，从而突破了传统材料在辐射冷却与太阳能加热间的“厚度约束”。Zhang等开发了一种基于气−液相转变的自适应热管理装置（STMD），该装置实现了高达83%的太阳光调制能力，具备快速响应与良好稳定性，为建筑节能提供了一种无源自适应新策略。Galib等利用材料对大气水分的自发吸收，将低成本聚丙烯酸钠粉末转化为聚丙烯酸酯薄膜，实现了辐射与蒸发相结合的混合被动冷却。
1.2 主动响应型
1.2.1 机械力响应
为实现按需、动态的热管理，辐射制冷技术正从静态光谱设计走向基于力学形变的主动调控。Lee等通过机械屈曲技术制备了一种双模式热管理器件，实现高达59.5 K的太阳能加热，释放应变后弹起为3D结构，转为辐射冷却模式，最大温差可达11.9 K。Butler等则设计了一种应变响应型辐射制冷器，动态调控其中红外发射率，实现了高达132 W·m−2的辐射冷却功率调控范围以及约5.1 K的夜间温控幅度。
1.2.2 电响应
主动电响应辐射制冷技术的优势在于可按需、精确调控热辐射。Deng等提出了多功能液晶智能窗（MPDLC），实现主动可控的被动辐射制冷和多模式采暖调节。Zhang等设计了基于聚合物稳定液晶（PSLC）与钾铯掺杂钨氧化物/PNIPAM温敏水凝胶的Janus型智能窗，成功融合了主动响应与被动响应的优势，并能同时调节可见光、近红外及中远红外3波段光谱。Yang等制备了氟化PDLC（FPDLC）−SiO2−CWO复合薄膜。该薄膜在电场驱动下可动态调节可见光透过率，同时利用SiO2的中红外发射特性和CWO的近红外屏蔽功能，实现多波段协同调控。Sui等与Wang等研究展示了可逆电沉积技术在动态辐射制冷中的潜力。如图2所示，Sui利用石墨烯电极与铜−水系电解质，开发了热发射率在0.07与0.92间可逆切换的电致变色器件，兼具安全性与节能性。Wang等则设计了光子超结构电极，在保持高太阳吸收率的同时，实现了中长波红外发射率的大范围调控及超30 d的双稳态，其全球应用模拟显示可节能11.0%~21.4%。
图2 电致变色中红外调制系统
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辐射制冷−能量收集耦合
融合辐射制冷与能量收集技术，是实现“冷却−发电”一体化的前沿策略。这种协同增效的设计，突破了单一技术的功能局限，为开发可持续、多功能的能源−水资源获取技术开辟了新途径。
2.1 温差发电
近年来，将低品位废热转化为电能的可再生能源技术备受关注。其中，辐射制冷与温差发电（TEG）相耦合提供了一种有效的解决方案，其核心在于利用前者为零耗电的冷端提供持续且稳定的低温环境，最终实现低品位热能收集效率的显著提升。Shi等受植物硅针结构启发，制备了具有仿生荆棘纤维结构（BTFs）的全纤维素基辐射冷却材料。如图3所示，该材料展现出优异的日间辐射冷却性能。Li等开发了一种CO2交联纤维素材料，将辐射冷却与热电转换功能集于一体。该研究利用CO2在纤维素骨架中引入碳酸酯基团，所制得的多孔膜展现出优异的日光反射率和中红外发射率，可实现有效辐射散热。
图3 BTFs及其B−TEG的结构设计
2.2 摩擦纳米发电机
在设备自供能与智能化需求推动下，摩擦纳米发电机（TENG）与辐射制冷的耦合实现了从环境中并行捕获机械能与冷量的技术突破。该策略将TENG在能量收集过程中产生的热量积聚问题，转化为辐射制冷的散热优势。
Lee等开发了集成摩擦纳米发电机与辐射冷却器的智能玻璃表面（TENG and RC, TeRC）。如图4所示，该器件实现了“下雨发电、晴天降温”的全天候工作模式。Zhang等受甲虫启发，研制了多尺度结构的柔性热辐射体，可实现显著的白昼与夜间辐射冷却。
图4 雨滴摩擦纳米发电机和辐射制冷器系统
2.3 大气水收集
面对全球淡水短缺的严峻挑战，大气水收集（AWH）技术备受关注，但其效率常受限于冷凝过程中所需的高效冷源。Ahmad等将辐射制冷与润滑表面（LS）技术耦合，设计了一种用于大气水收集的垂直双面结构，使冷却功率密度较传统结构提升约一倍。同时，消除了接触线钉扎，实现了水滴的完全被动收集。Chen等提出V型混合定向辐射结构，如图5所示，将太阳能加热与辐射冷却在空间上解耦并协同增效。该系统为高效太阳能淡水收集提供了全新设计范式。
图5 混合定向辐射制冷与太阳能加热水收集系统的结构设计
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辐射制冷−其他新兴功能耦合
研究人员通过先进材料设计与光子工程，进一步将光致发光、传感与显示等新颖功能融入制冷体系。这类耦合不仅解决了“彩色化往往伴随太阳吸收增加、从而削弱制冷”的内在矛盾，更实现了在可穿戴电子、柔性传感等场景下热管理与信息交互、视觉美学的协同，突破了传统辐射制冷材料的应用边界，展现出作为智能、自适应多功能平台的巨大潜力。
3.1 光致发光功能
荧光发光机制的引入为缓解辐射制冷中色彩与制冷性能的矛盾提供了新思路。Ma等开发了一种基于DNA−明胶的本征光致发光生物质气凝胶，在可见光区实现了高达104%的太阳加权反射率，突破了100%的理论反射极限。Wang等设计了一种荧光3层聚合物涂层（PFTPCs），解决了高冷却效率与鲜艳色彩难以兼容的难题。Fu等受珊瑚仿生启发，开发了基于光致发光的美学复合材料（PLAC），如图6所示，通过荧光下转换效应在实现绿、黄、红等彩色外观的同时，有效降低了材料对可见光的吸收热负荷。
图6 基于光致发光的辐射制冷材料设计与特性
3.2 传感功能
针对柔性传感器因环境温度波动导致的性能退化与佩戴过程产生热不适问题，辐射制冷与传感功能的耦合展现出巨大潜力。该技术将被动降温能力融入传感系统，实现了在无需外部能耗的前提下，同步提升设备的热舒适性与信号监测稳定性，为可穿戴电子设备提供了发展方向。
在柔性电子器件领域，实现长期舒适佩戴与高效热管理仍是一个关键挑战。Peng等开发了一种具有被动辐射制冷功能的超拉伸电子织物。该织物在白天与夜间均展现出卓越的制冷效果。该织物表面印刷基于镓−铟合金（EGaIn）的液态金属（LM）形成可拉伸电路，可作为舒适、透气的表皮生物电极，稳定监测心电图（ECG）、脑电图（EEG）和表面肌电图（sEMG）等高保真生理信号，且在水下环境中仍保持良好的传感性能。Zhong等提出被动等温柔性传感器。如图7所示，该工作的核心在于利用具有分级结构的纤维素气凝胶（HCA）作为摩擦负电层和热管理单元，通过协同辐射冷却与隔热2种机制以实现自适应热调节。
图7 被动等温柔性传感器的结构
3.3 结构功能一体化
3.3.1 结构色设计
结构功能一体化是先进材料发展的核心方向，而在辐射制冷领域，结构色的引入正是实现色彩与冷却性能协同优化的典范。在结构色辐射制冷器的开发中，实现色彩定制与高效降温的兼容性至关重要。Yu等提出了一种基于干涉回射机制的彩色辐射制冷器。得益于这一物理显色机制，不同颜色（粉、绿、蓝）的制冷器均保持了约10%的低太阳吸收率和96%的高红外发射率。如图8所示，Hou等受金龟子鞘翅启发，将胶体光子晶体半球限域组装于多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底的微坑结构中，实现了高亮度、高饱和度的多彩外观，更通过分级多孔结构实现了高效的光谱管理。尤为重要的是，其结构色展现出优异的机械稳定性，微坑结构如同“铠甲”般保护光子晶体，经50次磨损循环后仍保持完好。
图8 仿金龟子鞘翅的结构色辐射制冷薄膜
3.3.2 辐射制冷陶瓷
陶瓷基辐射制冷材料凭借固有的稳定性和可调控的微观结构，在推动技术商业化方面展现出独特优势。此类材料将制冷功能与建筑构件融为一体，克服了聚合物易老化与纳米光子结构成本高的瓶颈，为建筑节能提供了耐久、免维护且与现有工艺兼容的技术路径，对大规模、长寿命应用具有重要意义。Lin等受甲虫鳞片启发，研制了仿生多孔氧化铝陶瓷，实现了99.6%的太阳反射率与96.5%的红外发射率，日间冷却功率超130 W·m−2，平均降温3.8 K。如图9所示，Zhao等则开发了一种溶液法加工的微孔玻璃涂层，实现了96%的太阳反射率与95%的红外发射率，能在高湿度环境下实现日间约3.5 K的降温。
图9 微孔玻璃涂层
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具体挑战与问题分析
当前研究仍面临一系列共性挑战，制约着其从实验室走向实际应用。
1）材料性能的权衡困境。响应速度与调控幅度难以兼得；能量转换效率普遍偏低。
2）长期稳定性与服役耐久性。
3）系统集成的复杂性与兼容性。
4）经济性与规模化制备障碍。
5）真实环境适应性不足。
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结论
综上所述，PDRC正经历着从静态冷却到动态智能、从单一功能到多功能耦合的深刻变革。基于对当前研究进展的系统梳理，可得出以下结论。
1）技术突破：通过与智能响应材料、能量收集器件及发光传感等功能单元融合，辐射制冷已从追求极致光学性能转向构建自适应综合系统。温敏与电响应材料实现了动态热管理调控，温差发电与摩擦纳米发电的协同验证了“冷却−发电”一体化的可行性，荧光与结构色设计则有效缓解了着色与制冷性能的固有矛盾。
2）协同增益：耦合策略的成功源于对多物理过程的协同调控。辐射制冷创造的冷源可同时服务于热电模块的温差维持与大气水的被动冷凝；光致发光材料通过下转换效应在着色同时补偿太阳吸收；传感与制冷的集成则通过热管理提升了信号稳定性，实现了“1+1>2”的协同效应。
3）应用拓展：多功能耦合极大地拓展了辐射制冷的技术边界——自适应热管理器件实现建筑全年按需节能，“冷却−发电”一体化系统为分布式传感器提供自供能方案，辐射制冷辅助的大气水收集装置在干旱区展现潜力，集成制冷的柔性传感器为可穿戴电子开辟新路径。
4）未来方向：尽管材料响应速度与稳定性、能量转换效率、系统集成复杂度及成本控制等瓶颈依然存在，但该领域将更加侧重于智能化与实用性的平衡。可以预见，辐射制冷技术终将突破其作为“冷却方案”的初始定位，演进为未来智慧城市中集热管理、能源收集与信息交互于一体的智能平台。
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