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南開大學(xué)馬儒軍教授團隊《Nano Lett.》:基于干涉-逆反射原理的結(jié)構(gòu)色彩色輻射制冷技術(shù)
2022-06-18  來源:高分子科技

  21世紀以來,全球?qū)τ谥评涞男枨蠹彼偕仙韵幕茉礊榇鷥r的傳統(tǒng)制冷技術(shù)不僅能耗巨大,而且從根本上使得地球變得越來越熱。輻射制冷作為一種被動制冷方式,其主要通過大氣透明窗口(8-13 mm)將物體自身的熱量以紅外輻射的方式發(fā)射到外太空這個巨大的冷源 (~3 K)。這種完全零能耗的制冷方式有望大量節(jié)省制冷能耗,對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。


  在最近的研究中,科學(xué)家們已經(jīng)成功解決了日間低于室溫的輻射制冷這個革命性難題。為了實現(xiàn)這個目標,設(shè)計的材料不僅需要在中紅外波段具備高發(fā)射率而且必須具備對太陽輻射(0.25-2.5 mm)的高反射率。這使得大多數(shù)的輻射制冷材料呈現(xiàn)出白色或銀色的外觀。這種單一的顏色不僅阻礙了輻射制冷材料的應(yīng)用,而且加劇了光污染。盡管有研究通過引入商用染料來賦予輻射制冷材料顏色,但是大量的可見光吸收嚴重降低了制冷能力。因此,如何實現(xiàn)低于室溫的彩色輻射制冷是一個亟待解決的難題。


 

1 (A) 彩色輻射制冷器件的制備過程; (B-D)彩色輻射制冷器件的色彩表征


  近日,南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬儒軍教授團隊報道了一種基于干涉-逆反射原理的結(jié)構(gòu)色彩色輻射制冷器件。圖1A展示了該輻射制冷器件的制備方法。該器件由兩部分組成,頂層為結(jié)構(gòu)色層,底層為輻射制冷層。簡單來說,通過單向摩擦法將尺寸均一的聚苯乙烯微球排列在基底表面,并用透明膠帶將微球?qū)诱诚,由此得到了基于干?/span>-逆反射原理的結(jié)構(gòu)色薄膜。并將此結(jié)構(gòu)色層貼附在旋涂有聚二甲基硅氧烷的鋁箔表面,由此便得到了彩色輻射制冷器件。這種簡單的結(jié)構(gòu)不僅有利于大面積制備,而且在陽光下也能展現(xiàn)出明亮的色彩。通過調(diào)節(jié)聚苯乙烯微球的粒徑,該輻射制冷器件可以實現(xiàn)全彩的調(diào)控(1B-D)。以藍色商用染料和藍色輻射制冷器件為例,藍色商用染料在可見光區(qū)的吸收率高達70%,而相應(yīng)的輻射制冷器件在展示出相似顏色的前提下,只有10%的吸收率(圖2A)。在戶外實測中,所有的彩色輻射制冷器件均表現(xiàn)出低于室溫4 K的制冷能力,而相同顏色的商用染料則遠高于室溫2B)。因此,這種兼具色彩和制冷的輻射制冷器有望應(yīng)用到生活中的各個場景(圖2C)。


(A) 彩色輻射制冷器件的光譜特征; (B) 戶外實測降溫效果;(C 應(yīng)用展示。


  本研究解決了低于室溫的輻射制冷性能和色彩顯示之間的矛盾,實現(xiàn)了低于室溫的彩色輻射制冷,并拓展了輻射制冷的相關(guān)應(yīng)用。該工作以Photonic-Structure Colored Radiative Coolers for Daytime Subambient Cooling為題發(fā)表在《Nano Letters》上。論文第一作者為博士生俞世雄,共同第一作者為助理研究員張權(quán)博士,通訊作者為馬儒軍教授,該研究得到了科學(xué)技術(shù)部與國家自然科學(xué)基金委的資助。


  該工作是馬儒軍教授團隊近期關(guān)于零能耗輻射制冷材料設(shè)計與應(yīng)用的最新進展之一。馬儒軍教授目前為南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院智能熱管理實驗室負責(zé)人,近年來在主動/被動制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料、能源轉(zhuǎn)換材料與器件等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了一系列重要的研究成果,并以通訊或第一作者發(fā)表在Science、Chemical Society ReviewsJoule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano LettersACS nano等國際知名期刊上。實驗室擁有先進的材料制備平臺以及電學(xué)、熱學(xué)等測試系統(tǒng),并圍繞國家重點研發(fā)計劃項目等多項課題,展開新能源與智能熱管理技術(shù)方向的研究。團隊現(xiàn)誠招材料、化學(xué)、物理、電子等相關(guān)專業(yè)背景的博士后,歡迎有志之士將個人簡歷(pdf)發(fā)送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn,郵件標題請注明應(yīng)聘博士后+本人姓名+博士畢業(yè)院校”,對于符合要求并通過初審者,將會通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿前有效。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01570
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