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研究背景

  全球每年約有10%的電力消耗用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)，預(yù)計到2050年，這一需求將增長兩倍。因此，亟需新技術(shù)創(chuàng)新來減輕電網(wǎng)壓力并應(yīng)對制冷系統(tǒng)的高高碳排放帶來的全球變暖問題。輻射制冷材料可以利用其特殊微結(jié)構(gòu)來反射超過90%的太陽輻射，能夠最大限度的減少太陽輻射加熱，并通過大氣的透明窗口（8至13微米波長范圍）將熱量以長波紅外光的形式輻射到寒冷的外太空（約270 oC），從而達到建筑制冷的效果。除了建筑領(lǐng)域，這項技術(shù)還能惠及太陽能電池、發(fā)電廠冷凝器、個人熱舒適性高性能紡織品、露水收集和減緩冰川融化等方面。

  當(dāng)前，輻射制冷材料研究起初主要是基于多層無機薄膜的納米光子結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜、成本高昂，尤其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用受限。因此，近些年，研究學(xué)者探索使用了有機聚合物等替代材料，如聚合物-金屬復(fù)合薄膜、多孔聚合物涂層和泡沫、聚合物-陶瓷顆粒涂料等。然而，有機聚合物在復(fù)雜環(huán)境（如紫外線、熱、水和環(huán)境化學(xué)物質(zhì)等）條件下，會增加其太陽能吸收，從而降低其制冷效能，甚至可能導(dǎo)致材料被加熱。此外，用于聚合物或無機輻射冷卻結(jié)構(gòu)的金屬（如銀和鋁）可能受到空氣中化學(xué)物質(zhì)的氧化或硫化作用，進而降低其太陽反射率。

研究成果

  馬里蘭大學(xué)胡良兵教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，最近研制了一種新型輻射制冷涂層。這種涂層成功結(jié)合了低熔點玻璃骨架和氧化鋁顆粒，展現(xiàn)了高效的太陽光反射能力、紅外發(fā)射能力和環(huán)境穩(wěn)定性。該復(fù)合材料的關(guān)鍵特性在于其玻璃骨架能夠選擇性地發(fā)射低溫的紅外光，同時保持了較高太陽光反射率。并且，氧化鋁顆粒的加入不僅增強了陽光的散射效果，還有效抑制了材料制造過程中的結(jié)構(gòu)致密化引起的太陽光反射率的下降。在戶外實際實驗中，這種涂層在高濕度環(huán)境下表現(xiàn)出顯著的降溫效果。例如，在空氣濕度為80%RH條件下，它可以將白天和夜晚的環(huán)境溫度分別降低3.5°C和4 °C。此外，即使在極端條件下，如水、紫外線輻射、污垢和高溫影響下，這種涂層仍能保持高效的太陽光反射性能。值得注意的是，該涂層表面還可以添加超薄的透明玻璃防護層以增強其抗污性，或添加顏料制成彩色玻璃。

圖：胡良兵研究團隊及新型輻射制冷玻璃涂層

圖1. 輻射制冷玻璃涂層的設(shè)計思路

  為了提升新型涂層材料戶外應(yīng)用的穩(wěn)定性，研究團隊選用低熔點玻璃作為粘合材料，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)陶瓷燒制相比更低的加工溫度與更快的制備速度。這主要是由于這類玻璃微粒的軟化溫度較低（約350°C），并且具有豐富的紅外活性振動模式，這使得它們可以作為一種非傳統(tǒng)的粘合劑，構(gòu)建出堅固的多孔支撐骨架。該骨架通過Fr?hlich共振現(xiàn)象，有效地增強了其在長波紅外區(qū)域的選擇性輻射能力，同時也能散射太陽光，從而實現(xiàn)材料的高太陽光反射率。

圖2 輻射制冷玻璃涂層的制備與形貌結(jié)構(gòu)特征

圖3. 輻射制冷玻璃陶瓷的光熱性能以及模擬屋頂應(yīng)用的二氧化碳減排量

  研究團隊優(yōu)化了氧化鋁顆粒含量對輻射制冷玻璃涂層的反射率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不加氧化鋁顆粒時，熱處理導(dǎo)致玻璃顆粒融合，形成透明涂層，孔隙大幅減少，太陽反射率較低。加入氧化鋁顆粒后，涂層變得多孔，太陽反射率顯著提升。當(dāng)氧化鋁顆粒的質(zhì)量比達到50%時，其阻止了玻璃顆粒的完全融合，形成多孔結(jié)構(gòu)，太陽反射率達約0.96。提高氧化鋁比例至超過60%，太陽反射率可達約0.98。但這些涂層在結(jié)構(gòu)強度、耐磨性和抗沖擊性方面較弱，顯示出氧化鋁含量的最佳范圍為40%至60%，以確保涂層穩(wěn)定性和高反射率。

圖4 輻射制冷玻璃涂層的環(huán)境穩(wěn)定性及色彩

  研究團隊還對輻射制冷玻璃涂層的環(huán)境穩(wěn)定性進行了全面評估，以驗證其長期應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，涂層顯示出高達4B級的良好粘附強度，并具有顯著的高溫穩(wěn)定性，在10秒的1000°C的火焰沖擊下能保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，在水中浸泡60天和經(jīng)過80天紫外線照射后，涂層的太陽反射率幾乎未變，足以證明涂層中無機材料的環(huán)境穩(wěn)定性。并且，涂層對雨滴撞擊有強大的抵抗力，經(jīng)過24小時的動態(tài)測試，涂層的太陽反射率和質(zhì)量變化均小于1%。

  為增強其耐污性和環(huán)境穩(wěn)定性，研究團隊在玻璃陶瓷表面添加了一層薄而致密的透明保護層。這層透明保護層的致密結(jié)構(gòu)使液態(tài)污染物易于從表面清除，提供了卓越的抗污功能。這些特性說明輻射制冷玻璃陶瓷涂層在長期應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)越性能。

結(jié)論展望

商業(yè)應(yīng)用

  文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224