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通過反射太陽光和發(fā)射長波紅外線（LWIR）輻射到寒冷的宇宙（~3開爾文），被動(dòng)的日間輻射冷卻材料可以將建筑冷卻所需的能量降低至60%。然而，開發(fā)既實(shí)用和應(yīng)用又能顯示長期環(huán)境穩(wěn)定性的被動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的。

在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授等人開發(fā)了一種隨機(jī)光子復(fù)合材料，該復(fù)合材料由微孔玻璃框架組成，框架具有選擇性的長波紅外發(fā)射以及相對(duì)較高的太陽反射率和氧化鋁顆粒，可強(qiáng)烈散射陽光并防止多孔結(jié)構(gòu)在制造過程中致密化。這種微孔玻璃涂層可以使即使在中午和夜間的高濕度條件下（高達(dá)80%），其溫度下降的值分別為3.5°和4°C。這種輻射性的“冷卻玻璃”涂層即使暴露在惡劣的條件下，包括水、紫外線輻射、污染和高溫下，也能保持較高的太陽反射率。

相關(guān)文章以“A solution-processed radiative cooling glass”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

全球每年約10%的電力使用用于建筑的空調(diào)，預(yù)計(jì)到2050年冷卻需求將增加兩倍，需要不同的方法來減輕電網(wǎng)的壓力和對(duì)抗全球變暖。被動(dòng)日間輻射冷卻技術(shù)可以通過在建筑外殼上反射>90%的太陽輻射，并將熱量通過大氣透明窗口（8到13毫米）作為長波紅外（LWIR）光進(jìn)入寒冷的宇宙（~3 K），以實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境溫度。除了建筑使用，被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)還可以有利于太陽能電池、發(fā)電廠冷凝器、用于個(gè)人熱舒適的高性能紡織品、收集露水和減緩冰川融化。

其中，基于納米光子結(jié)構(gòu)的被動(dòng)輻射冷卻方法（如復(fù)合陶瓷和金屬）已經(jīng)被證明有效。然而，這種結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的納米級(jí)精度的制造技術(shù)（通常是在真空室中），這使得它們難以擴(kuò)展和昂貴，特別是在建筑應(yīng)用中。 為了提高日間輻射冷卻材料的可制造性，已經(jīng)用有機(jī)聚合物演示了不同的方法，如聚合物-金屬雜化膜、多孔聚合物涂層和泡沫、聚合物-介電涂料、脫木質(zhì)素木材和多層聚合物膜。然而，有機(jī)聚合物暴露于環(huán)境條件下，包括紫外線、光、光、水和環(huán)境化學(xué)物質(zhì)，這增加了材料的太陽能吸收，從而降低冷卻功率，甚至導(dǎo)致加熱。此外，用于聚合物或無機(jī)輻射冷卻結(jié)構(gòu)的金屬，如銀和鋁，可以被空氣中的化學(xué)物質(zhì)氧化或硫酸化，從而導(dǎo)致太陽反射率降低。

顯然，環(huán)境穩(wěn)定仍然是實(shí)際實(shí)施這一原本有前途的技術(shù)的一個(gè)障礙。雖然環(huán)境穩(wěn)定的微或納米陶瓷，如二氧化硅、碳化硅和氧化鋁，已經(jīng)被證明可以用于輻射冷卻，但由于缺乏粘合劑，它們的機(jī)械強(qiáng)度較差，不適合建造建筑。此外，為了滿足在更極端環(huán)境中的應(yīng)用需求，例如航空航天熱控制，被動(dòng)輻射冷卻材料需要承受高達(dá)1000℃的高溫而不會(huì)導(dǎo)致性能下降。

研究?jī)?nèi)容

在這項(xiàng)研究中，作者設(shè)計(jì)并演示了一種“冷卻玻璃”的溶液處理涂層，該涂層解決了聚合物和金屬基輻射冷卻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在環(huán)境條件下穩(wěn)定，可擴(kuò)展，低成本，同時(shí)展示了優(yōu)異的被動(dòng)冷卻性能。 具體來說，作者用一個(gè)簡(jiǎn)單的兩步法制作了冷卻玻璃，將廉價(jià)的玻璃和氧化鋁顆?；旌铣梢环N很容易涂在基底上的漿液，然后對(duì)低熔點(diǎn)玻璃進(jìn)行熱退火，以實(shí)現(xiàn)多孔輻射冷卻結(jié)構(gòu)（圖1A）。玻璃顆粒具有較低的軟化溫度（~350℃）和大氣透明窗口中豐富的紅外主動(dòng)振動(dòng)模式，作為非傳統(tǒng)粘合劑，形成一個(gè)堅(jiān)固的多孔支撐框架（特征尺寸為~12 mm；圖1A），可以通過Fr?hlich共振提供增強(qiáng)的選擇性LWIR發(fā)射，同時(shí)將陽光散射到相當(dāng)高的太陽反射率（圖1B）。此外，將氧化鋁顆粒（平均尺寸為0.5 mm）與玻璃顆粒（圖1A）混合，通過允許Mie在太陽光譜中散射（圖1B）來提高復(fù)合材料的太陽反射率，同時(shí)也作為抗燒結(jié)劑，防止玻璃顆粒完全致密，否則將導(dǎo)致陽光透明的結(jié)構(gòu)。

圖1. 一種用于日間被動(dòng)輻射冷卻的環(huán)境穩(wěn)定的玻璃涂層

圖2. 輻射冷卻玻璃涂層的制作和形貌

這種雙粒子設(shè)計(jì)優(yōu)化了與被動(dòng)輻射冷卻相關(guān)的材料和尺寸效應(yīng)，特別是結(jié)合了大氣透明窗口的高太陽反射率>0.96和~0.95的高紅外發(fā)射率。因此，在將該涂層（~550 mm厚）應(yīng)用于1.5mm厚的玻璃基板后，室外實(shí)驗(yàn)表明，即使在高濕度（高達(dá)80%）下，基底溫度可以比中午（30°C）環(huán)境溫度低3.5°C（800 W/m2太陽輻照度），晚上低4°C（環(huán)境溫度17.5°C）。 對(duì)中層公寓樓的模擬表明，在考慮冷卻需求減少的情況下，在屋頂上覆蓋輻射冷卻玻璃可以使每年的二氧化碳排放減少10%。除了優(yōu)異的性能外，冷卻玻璃對(duì)基板（如瓷磚、磚、玻璃和金屬）具有較高的粘附強(qiáng)度，即使在暴露在惡劣條件下，包括水、紫外線、污染和高達(dá)1000°C的高溫火焰沖擊，也能保持其較高的太陽反射率。因此，這種簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展、成本效益高、環(huán)境穩(wěn)定的被動(dòng)輻射冷卻玻璃涂層既可以減少能源消耗，以幫助緩解全球變暖，并提高住宅的舒適度。

圖3. 輻射冷卻玻璃涂層的光學(xué)和熱性能以及模擬屋頂應(yīng)用的二氧化碳減排

圖4. 輻射冷卻玻璃的環(huán)境穩(wěn)定性

綜上所述，本文報(bào)道了一種雙粒子設(shè)計(jì)方法，以開發(fā)環(huán)境穩(wěn)定和可有效的微孔光子玻璃涂層，用于日間輻射冷卻，避免使用有機(jī)聚合物、金屬和復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是大玻璃顆粒（直徑~12毫米），在大氣透明窗口內(nèi)形成一個(gè)多孔框架，提供增強(qiáng)的選擇性LWIR發(fā)射，同時(shí)將陽光散射到高太陽反射率。同時(shí)，加入較小的氧化鋁顆粒（直徑~0.5mm），以提高復(fù)合材料的太陽反射率，防止玻璃顆粒的完全致密化。

輻射冷卻玻璃涂層與許多具有不同軟化點(diǎn)的玻璃框架和介電顆粒的不同組合相兼容，并且可以通過加入染料很容易地?cái)U(kuò)展到開發(fā)彩色輻射冷卻玻璃涂層。這種基于解決方案的工藝是可擴(kuò)展的，可以通過刷子或噴涂的方法輕松地應(yīng)用于各種表面，包括屋頂和墻壁，而燒結(jié)處理可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)工作提供了一種具有高太陽反射率、高選擇性LWIR、高抗環(huán)境降解性和高工作溫度的輻射冷卻結(jié)構(gòu)，可用于大規(guī)模和長期應(yīng)用，如建筑、數(shù)據(jù)中心和冷鏈運(yùn)輸，以及應(yīng)用在更極端的環(huán)境（例如航空航天）。

Xinpeng Zhao?, Tangyuan Li?, Hua Xie?, He Liu?, Lingzhe Wang, Yurui Qu, Stephanie C. Li, Shufeng Liu, Alexandra H. Brozena, Zongfu Yu, Jelena Srebric, Liangbing Hu*, A solution-processed radiative cooling glass, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224