研究背景

  全球每年约有10%的电力消耗用于建筑物的空调系统，预计到2050年，这一需求将增长两倍。因此，亟需新技术创新来减轻电网压力并应对制冷系统的高高碳排放带来的全球变暖问题。辐射制冷材料可以利用其特殊微结构来反射超过90%的太阳辐射，能够最大限度的减少太阳辐射加热，并通过大气的透明窗口（8至13微米波长范围）将热量以长波红外光的形式辐射到寒冷的外太空（约270 oC），从而达到建筑制冷的效果。除了建筑领域，这项技术还能惠及太阳能电池、发电厂冷凝器、个人热舒适性高性能纺织品、露水收集和减缓冰川融化等方面。

  当前，辐射制冷材料研究起初主要是基于多层无机薄膜的纳米光子结构。但这种结构生产技术复杂、成本高昂，尤其在建筑领域应用受限。因此，近些年，研究学者探索使用了有机聚合物等替代材料，如聚合物-金属复合薄膜、多孔聚合物涂层和泡沫、聚合物-陶瓷颗粒涂料等。然而，有机聚合物在复杂环境（如紫外线、热、水和环境化学物质等）条件下，会增加其太阳能吸收，从而降低其制冷效能，甚至可能导致材料被加热。此外，用于聚合物或无机辐射冷却结构的金属（如银和铝）可能受到空气中化学物质的氧化或硫化作用，进而降低其太阳反射率。

研究成果

  马里兰大学胡良兵教授领导的研究团队，最近研制了一种新型辐射制冷涂层。这种涂层成功结合了低熔点玻璃骨架和氧化铝颗粒，展现了高效的太阳光反射能力、红外发射能力和环境稳定性。该复合材料的关键特性在于其玻璃骨架能够选择性地发射低温的红外光，同时保持了较高太阳光反射率。并且，氧化铝颗粒的加入不仅增强了阳光的散射效果，还有效抑制了材料制造过程中的结构致密化引起的太阳光反射率的下降。在户外实际实验中，这种涂层在高湿度环境下表现出显著的降温效果。例如，在空气湿度为80%RH条件下，它可以将白天和夜晚的环境温度分别降低3.5°C和4 °C。此外，即使在极端条件下，如水、紫外线辐射、污垢和高温影响下，这种涂层仍能保持高效的太阳光反射性能。值得注意的是，该涂层表面还可以添加超薄的透明玻璃防护层以增强其抗污性，或添加颜料制成彩色玻璃。

图：胡良兵研究团队及新型辐射制冷玻璃涂层

图1. 辐射制冷玻璃涂层的设计思路

  为了提升新型涂层材料户外应用的稳定性，研究团队选用低熔点玻璃作为粘合材料，实现了与传统陶瓷烧制相比更低的加工温度与更快的制备速度。这主要是由于这类玻璃微粒的软化温度较低（约350°C），并且具有丰富的红外活性振动模式，这使得它们可以作为一种非传统的粘合剂，构建出坚固的多孔支撑骨架。该骨架通过Fr?hlich共振现象，有效地增强了其在长波红外区域的选择性辐射能力，同时也能散射太阳光，从而实现材料的高太阳光反射率。

图2 辐射制冷玻璃涂层的制备与形貌结构特征

图3. 辐射制冷玻璃陶瓷的光热性能以及模拟屋顶应用的二氧化碳减排量

  研究团队优化了氧化铝颗粒含量对辐射制冷玻璃涂层的反射率的影响。研究发现，不加氧化铝颗粒时，热处理导致玻璃颗粒融合，形成透明涂层，孔隙大幅减少，太阳反射率较低。加入氧化铝颗粒后，涂层变得多孔，太阳反射率显著提升。当氧化铝颗粒的质量比达到50%时，其阻止了玻璃颗粒的完全融合，形成多孔结构，太阳反射率达约0.96。提高氧化铝比例至超过60%，太阳反射率可达约0.98。但这些涂层在结构强度、耐磨性和抗冲击性方面较弱，显示出氧化铝含量的最佳范围为40%至60%，以确保涂层稳定性和高反射率。

图4 辐射制冷玻璃涂层的环境稳定性及色彩

  研究团队还对辐射制冷玻璃涂层的环境稳定性进行了全面评估，以验证其长期应用的可行性。结果表明，涂层显示出高达4B级的良好粘附强度，并具有显著的高温稳定性，在10秒的1000°C的火焰冲击下能保持其结构稳定。此外，在水中浸泡60天和经过80天紫外线照射后，涂层的太阳反射率几乎未变，足以证明涂层中无机材料的环境稳定性。并且，涂层对雨滴撞击有强大的抵抗力，经过24小时的动态测试，涂层的太阳反射率和质量变化均小于1%。

  为增强其耐污性和环境稳定性，研究团队在玻璃陶瓷表面添加了一层薄而致密的透明保护层。这层透明保护层的致密结构使液态污染物易于从表面清除，提供了卓越的抗污功能。这些特性说明辐射制冷玻璃陶瓷涂层在长期应用中具有潜在的优越性能。

结论展望

商业应用

  文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224