清华大学团队综述：光热调控材料－从静态到动态，为应对全球能源与气候挑战提供新方案

光热调控技术的核心在于：无需外部能源输入，仅依靠材料自身的光学特性，即可实现对温度的调控。其基本原理是利用太阳（约6000 K）作为热源、外太空（约3 K）作为冷源。

被动光热（PSH）材料需要高效吸收太阳光（吸收率>0.9），同时尽可能减少红外辐射热损失（红外发射率<0.1），从而实现高效的光热转换。而被动辐射制冷（PRC）材料则恰好相反，需要反射绝大部分太阳光（反射率>0.95），同时通过大气窗口（8-13 μm）高效向外太空辐射热量（红外“大气窗口”发射率>0.9）。目前，先进PRC材料的太阳光反射率已超过0.96，大气窗口红外发射率超过0.95；而高性能PSH材料的太阳吸收率已超过0.95，红外发射率可低至0.1以下。

然而，无论是PSH还是PRC材料，其光学性能一旦制备完成便固定不变。这种“静态”特性在复杂多变的天气条件下逐渐暴露出局限性：辐射制冷材料在寒冷天气或夜间可能导致“过冷”，而光热材料在炎热天气下则可能造成“过热”。

为突破这一瓶颈，研究人员开发了能够对外界刺激做出响应的动态光热调控材料。根据刺激源的不同，这些材料可分为四大类：

热致变色材料：以二氧化钒（VO₂）为代表，可在约68 ℃时发生绝缘体－金属相变，从而大幅改变红外发射率。通过元素掺杂，相变温度可降至室温附近，实现“冬暖夏凉”的自适应调控。热致变色水凝胶则可在低温下透明、高温下变不透明，用于智能窗的可见光调控。

电致变色材料：如三氧化钨（WO₃）、氧化镍（NiO）及导电聚合物等，可在电压驱动下可逆改变光学性能的材料。与热致变色材料的被动响应不同，电致变色器件可按需主动控制，实现精准的个性化热管理。

力致变色材料：通过机械翻转、拉伸、刮擦、压缩等方式改变光学性能。

湿度响应材料：可在干燥和湿润状态下切换光学性能，实现制冷与加热模式的转换。

这些光热调控材料在低碳建筑、智能窗、个人热管理织物、光伏系统和交通等领域具有广阔的应用前景。然而，要实现大规模商业化应用，仍需解决三大核心挑战：

其一，循环稳定性与环境耐久性：动态材料在长期使用中的性能衰减问题亟待解决；其二，调制深度与响应灵敏度：如何兼顾光学调制幅度和快速响应速度；其三，规模化制备与成本控制：当前多数高性能材料依赖复杂的微纳加工工艺，难以大规模推广。

该综述为光热调控材料领域的后续研究提供了系统的参考框架，也为推动下一代高效、智能、环境友好的光热调控材料的发展指明了方向。

该工作获得了中国石油科技创新基金研究项目、鄂尔多斯实验室和北京市自然科学基金的支持。论文第一作者为博士后陶爽，通讯作者为清华大学张如范副教授。

图1 综述论文概览：光热调控原理，及静态，动态光热调控材料分类