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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(jì)到2050年，這一需求將增長(zhǎng)兩倍。因此，亟需新技術(shù)創(chuàng)新來(lái)減輕電網(wǎng)壓力并應(yīng)對(duì)制冷系統(tǒng)的高高碳排放帶來(lái)的全球變暖問(wèn)題。輻射制冷材料可以利用其特殊微結(jié)構(gòu)來(lái)反射超過(guò)90%的太陽(yáng)輻射，能夠最大限度的減少太陽(yáng)輻射加熱，并通過(guò)大氣的透明窗口（8至13微米波長(zhǎng)范圍）將熱量以長(zhǎng)波紅外光的形式輻射到寒冷的外太空（約270 oC），從而達(dá)到建筑制冷的效果。除了建筑領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)還能惠及太陽(yáng)能電池、發(fā)電廠冷凝器、個(gè)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(wú)機(jī)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(jī)聚合物等替代材料，如聚合物-金屬?gòu)?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(jī)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(huì)增加其太陽(yáng)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(wú)機(jī)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(jìn)而降低其太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)，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(diǎn)玻璃骨架和氧化鋁顆粒，展現(xiàn)了高效的太陽(yáng)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(shí)保持了較高太陽(yáng)光反射率。并且，氧化鋁顆粒的加入不僅增強(qiáng)了陽(yáng)光的散射效果，還有效抑制了材料制造過(guò)程中的結(jié)構(gòu)致密化引起的太陽(yáng)光反射率的下降。在戶外實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(yáng)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(hù)層以增強(qiáng)其抗污性，或添加顏料制成彩色玻璃。

圖：胡良兵研究團(tuán)隊(duì)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(jì)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(tuán)隊(duì)選用低熔點(diǎn)玻璃作為粘合材料，實(shí)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(dòng)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(jiān)固的多孔支撐骨架。該骨架通過(guò)Fr?hlich共振現(xiàn)象，有效地增強(qiáng)了其在長(zhǎng)波紅外區(qū)域的選擇性輻射能力，同時(shí)也能散射太陽(yáng)光，從而實(shí)現(xiàn)材料的高太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)優(yōu)化了氧化鋁顆粒含量對(duì)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(shí)，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(yáng)反射率較低。加入氧化鋁顆粒后，涂層變得多孔，太陽(yáng)反射率顯著提升。當(dāng)氧化鋁顆粒的質(zhì)量比達(dá)到50%時(shí)，其阻止了玻璃顆粒的完全融合，形成多孔結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)反射率達(dá)約0.96。提高氧化鋁比例至超過(guò)60%，太陽(yáng)反射率可達(dá)約0.98。但這些涂層在結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tuán)隊(duì)還對(duì)輻射制冷玻璃涂層的環(huán)境穩(wěn)定性進(jìn)行了全面評(píng)估，以驗(yàn)證其長(zhǎng)期應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，涂層顯示出高達(dá)4B級(jí)的良好粘附強(qiáng)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(guò)80天紫外線照射后，涂層的太陽(yáng)反射率幾乎未變，足以證明涂層中無(wú)機(jī)材料的環(huán)境穩(wěn)定性。并且，涂層對(duì)雨滴撞擊有強(qiáng)大的抵抗力，經(jīng)過(guò)24小時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，涂層的太陽(yáng)反射率和質(zhì)量變化均小于1%。

  為增強(qiáng)其耐污性和環(huán)境穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)在玻璃陶瓷表面添加了一層薄而致密的透明保護(hù)層。這層透明保護(hù)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(shuō)明輻射制冷玻璃陶瓷涂層在長(zhǎng)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(xiàn)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224