研究背景

近年来，全球变暖导致的气候恶化和能源消耗增加引起了全球的关注。 空调设备的广泛应用消耗了大量的能源，并将空调运行过程中产生的物质直接释放到环境中;这逐渐显著地增加了大气中二氧化碳的浓度。 被动式日间辐射冷却材料(特点是高太阳反射率和热发射率)在阳光直射下表现出零能耗的冷却效果，从而减少了对空调的需求。 尽管迄今为止已经报道了各种精心设计的辐射冷却材料，但它们的合成对环境有害，不适合大规模操作(因为它们涉及复杂、高成本或溶液处理方法)。 在本研究中，采用一步式、廉价、无溶液和环保的策略，构建了一种用于大规模辐射冷却应用的分层形态涂层。 通过简单的机械搅拌(不使用模板)制备了分层结构(由纳米球和微孔随机分布在聚合物基体中);在生产过程中不产生溶剂或副产品。 优化后的涂层在大气窗波段具有较高的发射率(95.1%)、较强的太阳反射率(94.0%)和62.94 W m −2 的冷却功率。 本研究提出的制造建筑围护结构材料的新型低能耗可持续策略，为具有热调节特性的绿色材料的设计开辟了新的领域。

相关成果以 “Scalable and sustainable hierarchical‑morphology coatings for passive daytime radiative cooling”为题，发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》（IF=20.1）上。

研究结论

采用可扩展、简便、无溶液的制造策略，制备了一种具有优化孔/纳米颗粒尺寸分布的用于被动日间辐射冷却的分层形态涂层，且在生产过程中不需要或释放任何溶剂。

分层形态涂层通过简单的一步机械搅拌工艺制备，并使用滚筒，无气喷漆机和刷子涂抹在基材上，显示出作为建筑护结构的高潜力。制备的涂层在MIR范围内具有良好的光学特性调节、拒光性和强发射性，与文献中其他基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的涂层相反，合成材料中的基质微孔中含有在机械搅拌过程中引入的被困气泡。所制备的复合材料包含尺寸分布在100-400 nm范围内的纳米球和直径为几微米的微孔;纳米颗粒被设计为反射紫外-可见(UV-VIS)光，而广泛尺寸分布的微孔可以拒绝可见光和近红外(NIR)。值得注意的是，由于多重Mie共振的集体效应，涂层的分层形态产生了覆盖整个UV-VIS区域的多个散射峰;因此，合成的复合材料表现出扩展的光谱响应。所制备的涂层结合了强烈的太阳散射和强烈的热辐射，使它们在太阳直接照射下表现出有效的日间被动辐射冷却。实验测试表明，最佳分层形态涂层具有被动日间辐射冷却能力(净冷却功率为62.94 W m −2)。在不同气候带的办公楼外表面(墙板和屋顶)涂覆预制涂料，显著降低了建筑物的空调耗电量(节电率为14.5 ~ 41.2%)。本研究报告的新型节能涂料具有重要的潜在应用前景。因此，本研究为具有热调节性能的可持续高性能建筑围护结构材料的开发开辟了新的领域。

主要数据

图1. a 建筑物外表面辐射冷却涂层的示意图。b计算了不同尺寸空气孔在PDMS封装下的散射效率。c本研究合成的优化的分层形貌涂层的SEM图像。比例尺:5μm。实验记录了优化后的分层形貌涂层的d 反射率和e 发射率光谱。

图2. a 实验记录了不同纳米颗粒质量分数(2、15和30 wt%)下，PDMS和PFPE按重量比(a 4∶1、b 1∶1和c 2∶3)混合合成的分层形貌涂层的反射率光谱。d计算制备的分层形貌涂层的太阳反射率值

图3. 采用不同的PDMS/PFPE重量比和纳米颗粒质量分数合成的分层形貌涂层的SEM图像。比例尺:5 μm。b从(a)中提取的孔径分布。

图4. 实验记录了PDMS与PFPE以a 4∶1,b 1∶1和c 2∶3的重量比混合，不同纳米颗粒质量分数(2、15和30 wt%)合成的分层形貌涂层的发射光谱。d不同层次形貌涂层在大气窗口波段(λ= 8-13 μm)的发射率计算值

图5.a 自制装置的切割示意图，用于表征制备的涂层的辐射冷却性能。b实验记录的天气条件(上表)、环境空气的实时温度和最佳分层形貌涂层(下表)。c估计优化的分层形态涂层的净冷却功率与温差的函数关系;在虚线和实线曲线中分别为q=20和7 W m−2k−1

https://doi.org/10.1007/s42114-023-00819-w

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