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中科院化学所赵宁研究员/徐坚研究员课题组:基于光热协同效应的仿生日间辐射降温皮肤
2020-05-26  来源:高分子科技

  面对极端气候和全球变暖的挑战,“道法自然”,顺应自然规律的热管理可以最大限度地减少对能源和环境的消耗,是可持续发展的重要途径。其中,日间被动降温 (Passive daytime radiative cooling,PDRC) 可以在高效反射太阳光的基础上,仅通过材料在中红外大气窗口(8-13 μm)净辐射热输出实现低于室温的降温效果。尽管在韧性、可加工性和规模制备方面出现新突破,目前PDRC材料仍面临适用环境严苛、冷却性能不足和不易于实施等挑战。特别是强日照、高湿度、低可见度或建筑物密集等条件下,中红外大气窗口透过率较低,PDRC效果将大打折扣。


  为提高PDRC材料的降温效果并拓展其应用范围,中国科学院化学研究所赵宁研究员/徐坚研究员课题组与意大利佛罗伦萨大学Lorenzo Pattelli教授合作,基于北极熊保温皮毛的光热协同效应,提出一种可复用的双层柔性PDRC器件设计方案(图1a)。将高度散射的聚乙烯(PE)纳米片气凝胶层和商业化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行复合,从而获得可在多种基材上即贴即用的柔性降温“皮肤”。其中,热致相分离所得PE气凝胶兼具日光反射、中红外透过与保温特性,PDMS膜则作为中红外发射体直接提供辐射降温功能。


图1. 基于高度散射气凝胶的仿生双层膜路线。北极熊保温皮毛和仿生降温皮肤的光热模型(a);柔性PE气凝胶形貌特征(b);不同波长处平均散射截面及平均各向异性因子和孔径的对应关系(c);气凝胶光谱特征及光热性质(d)


  通过优化其孔径分布,孔隙率高达97.9%的PE气凝胶在2.7 mm厚度时具备较高日光反射率(0.96)和中红外发射率(0.8),显著优于用于辐射降温的同类材料。除了极低的PE填充率外,经模拟计算,气凝胶中精细调控所得的3.8±1.4 μm孔径也有助于通过促进前向散射来增强中红外传输。最后,由于气凝胶提供的绝热作用(热导率低至32 mW m-1 K-1),PE/PDMS双层膜的PDRC效率得到了进一步提高。结果表明,在太阳辐照度高于1000 W m–2的中湿度市区中,该双层膜的亚环境温降达5-6 °C;在辐照度高于800 W m–2 的干燥郊区中,尽管有轻度扬尘,该双层膜的亚环境温降可至6-7 °C;而在理想的使用条件下,计算得出的温降极限值为14 °C,持平或优于文献报道值。


图2. PE/PDMS双层膜降温效果。不同基底材料上的降温效果(b);强日照、中湿度城市环境中的亚环境温降(d);中日照、低湿度、轻微扬尘的郊区环境中的亚环境温降(f)


图3. 辐射机制与非辐射机制的协同效应。不同压缩程度气凝胶的日光反射率、中红外透过率、热阻变化,及其对温降的影响(a);与不同热阻的气凝胶粘接所得双层膜的日间及夜间降温功率及温降(b)


  利用PE气凝胶的高日光反射率及其光热协同效应,普适的仿生双层路线有希望拓展PDRC材料的丰富性,并提高其在多种气象条件下的降温效果。特别地,将这种中红外透明的气凝胶反射层用于PDRC,所实现的功能分区允许PDRC器件在中红外发射体选择和功能组合方面更加灵活。例如,受益于PE气凝胶的自清洁特质和PDMS与基体间的适度粘附力,该双层降温材料的长期使用性能和可重复使用性(降低冬季的能源成本)得以增强,这在实际应用中至关重要。相关研究成果Bioinspired “Skin” with Cooperative Thermo-Optical Effect for Daytime Radiative Cooling发表于ACS Applied Materials & Interfaces。


  论文链接:https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c03897

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(责任编辑:xu)
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