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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系統，預計到2050年，這一需求將增長兩倍。因此，亟需新技術創新來減輕電網壓力并應對制冷系統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構來反射超過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。除了建筑領域，這項技術還能惠及太陽能電池、發電廠冷凝器、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構。但這種結構生產技術復雜、成本高昂，尤其在建筑領域應用受限。因此，近些年，研究學者探索使用了有機聚合物等替代材料，如聚合物-金屬復合薄膜、多孔聚合物涂層和泡沫、聚合物-陶瓷顆粒涂料等。然而，有機聚合物在復雜環境（如紫外線、熱、水和環境化學物質等）條件下，會增加其太陽能吸收，從而降低其制冷效能，甚至可能導致材料被加熱。此外，用于聚合物或無機輻射冷卻結構的金屬（如銀和鋁）可能受到空氣中化學物質的氧化或硫化作用，進而降低其太陽反射率。

研究成果

  馬里蘭大學胡良兵教授領導的研究團隊，最近研制了一種新型輻射制冷涂層。這種涂層成功結合了低熔點玻璃骨架和氧化鋁顆粒，展現了高效的太陽光反射能力、紅外發射能力和環境穩定性。該復合材料的關鍵特性在于其玻璃骨架能夠選擇性地發射低溫的紅外光，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構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境下表現出顯著的降溫效果。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計思路

  為了提升新型涂層材料戶外應用的穩定性，研究團隊選用低熔點玻璃作為粘合材料，實現了與傳統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的粘合劑，構建出堅固的多孔支撐骨架。該骨架通過Fr?hlich共振現象，有效地增強了其在長波紅外區域的選擇性輻射能力，同時也能散射太陽光，從而實現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構特征

圖3. 輻射制冷玻璃陶瓷的光熱性能以及模擬屋頂應用的二氧化碳減排量

  研究團隊優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。研究發現，不加氧化鋁顆粒時，熱處理導致玻璃顆粒融合，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。當氧化鋁顆粒的質量比達到50%時，其阻止了玻璃顆粒的完全融合，形成多孔結構，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。但這些涂層在結構強度、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%，以確保涂層穩定性和高反射率。

圖4 輻射制冷玻璃涂層的環境穩定性及色彩

  研究團隊還對輻射制冷玻璃涂層的環境穩定性進行了全面評估，以驗證其長期應用的可行性。結果表明，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定性，在10秒的1000°C的火焰沖擊下能保持其結構穩定。此外，在水中浸泡60天和經過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境穩定性。并且，涂層對雨滴撞擊有強大的抵抗力，經過24小時的動態測試，涂層的太陽反射率和質量變化均小于1%。

  為增強其耐污性和環境穩定性，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構使液態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用中具有潛在的優越性能。

結論展望

商業應用

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