马里兰大学胡良兵：把阳光变成电力与冷气的玻璃

2023/11/24

论文

论文标题：A solution-processed radiative cooling glass

作者：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

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期刊：Science

发表时间：2023/11/10

数字识别码：10.1126/science.adi2224

摘要：Passive daytime radiative cooling materials could reduce the energy needed for building cooling up to 60% by reflecting sunlight and emitting long-wave infrared (LWIR) radiation into the cold Universe (~3 kelvin). However, developing passive cooling structures that are both practical to manufacture and apply while also displaying long-term environmental stability is challenging. We developed a randomized photonic composite consisting of a microporous glass framework that features selective LWIR emission along with relatively high solar reflectance and aluminum oxide particles that strongly scatter sunlight and prevent densification of the porous structure during manufacturing. This microporous glass coating enables a temperature drop of ~3.5° and 4°C even under high-humidity conditions (up to 80%) during midday and nighttime, respectively. This radiative “cooling glass” coating maintains high solar reflectance even when exposed to harsh conditions, including water, ultraviolet radiation, soiling, and high temperatures.

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摘要翻译（由计算机程序完成，仅供参考，内容以英文原文为准）：

被动式日间辐射冷却材料可以通过反射阳光并向寒冷的宇宙中发射长波红外辐射（约3开尔文），将建筑物冷却所需的能量减少60%。然而，开发既能制造和应用，又能显示长期环境稳定性的被动冷却结构具有挑战性。我们开发了一种随机光子复合材料，该复合材料由微孔玻璃框架组成，该框架具有选择性LWIR发射以及相对较高的太阳反射率和氧化铝颗粒，氧化铝颗粒强烈散射阳光并防止制造过程中多孔结构的致密化。即使在高湿度条件下（高达80%），这种微孔玻璃涂层也能在中午和夜间分别使温度下降约3.5°C和4°C。这种辐射“冷却玻璃”涂层即使暴露在恶劣的条件下，也能保持高的太阳反射率，包括水、紫外线辐射、污垢和高温。

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所属学科：

材料物理化学能源阅读论文原文

（领研网导读 菜菜）被动日光辐射冷却材料可减少制冷技术所需的能量。本研究开发出一种随机光子复合材料，由微孔玻璃框架组成，具有选择性的长波红外发射以及相对较高的阳光反射率和氧化铝颗粒，可强烈散射阳光，防止多孔结构在制造过程致密化。在中午和夜间的高湿度条件下，这种微孔玻璃涂层的温度分别下降3.5°C和4°C，在恶劣条件下，还能保持较高的阳光反射率。

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特别说明：本文由米测技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

全球每年约10%的用电量用于建筑空调制冷，预计到2050年制冷需求将增加两倍，因此需要采取不同的方法来减轻电网压力并应对全球变暖。被动式日间辐射冷却材料通过反射阳光并向寒冷的宇宙（~3 K）发射长波红外(LWIR)辐射，可以将建筑物冷却所需的能量减少高达60%。此外，被动辐射冷却技术还可应用于太阳能电池、发电厂冷凝器、个人热舒适的高性能纺织品、露水收集和减缓冰川融化等多个领域。

关键问题

然而，被动辐射冷却技术的发展仍存在以下问题：

1、开发基于多层无机薄膜的纳米光子结构成本昂贵难以大规模应用

虽然已经证明了基于集成多层无机薄膜的纳米光子结构的被动辐射冷却的各种方法。然而，此类结构需要具有纳米级精度的复杂制造技术，这使得它们难以扩展且成本高昂。

2、基于有机聚合物的材料受到环境稳定性的限制

有机聚合物已被证明可以通过不同方法提高日间辐射冷却材料的可制造性，但当暴露于环境条件时，有机聚合物往往会变黄并随着时间的推移而降解，环境稳定性是技术实际应用的最大障碍。

3、微米/纳米级陶瓷存在机械强度差等问题

虽然环境稳定的微米级或纳米级陶瓷已被证明可用于辐射冷却，但由于缺乏粘合剂，它们的机械强度较差，不适合用于建筑。此外，为了满足更极端环境中的应用需求，被动辐射冷却材料需要承受高达1000°C的高温而不降低性能。

新思路

有鉴于此，马里兰大学胡良兵等人开发了一种随机光子复合材料，该材料由微孔玻璃框架和氧化铝颗粒组成，其中微孔玻璃框架具有选择性长波红外发射以及相对较高的太阳反射率，氧化铝颗粒具有强烈散射阳光且可防止制造过程中多孔结构的致密化。即使在高湿度条件（高达80%）下，这种微孔玻璃涂层也能在中午和夜间分别使温度下降约3.5和4°C。即使暴露在水、紫外线辐射、污垢和高温等恶劣条件下，这种辐射“冷却玻璃”涂层也能保持高太阳光反射率。

技术方案：

1、作者通过建模计算指导玻璃涂层的设计

作者选择低熔点磷酸盐玻璃颗粒作为冷却玻璃涂层的框架，a-Al2O3颗粒作为抗烧结剂，通过理论计算确定了玻璃和Al2O3颗粒的最佳尺寸。

2、阐明了复合材料的制造工艺并表征了其结构

作者阐明了多孔光子复合材料的制备流程，并通过SEM和XRD表明烧结过程、烧结后材料的孔隙结构及晶体结构。

3、优化了玻璃涂层的光学性能

通过检查玻璃涂层的太阳反射率和红外发射率，优化了冷却玻璃复合材料中Al2O3颗粒的质量含量、玻璃涂层厚度、喷涂方式等因素实现了最佳光学性能。

4、证实了玻璃涂层的环境稳定性

作者通过户外实验和动态模拟实验，证实了即使在恶劣条件下，该玻璃涂层依然可以稳定，且通过与无机染料混合可以改变其外观颜色。

技术优势：

1、设计并演示了一种溶液处理的光子“冷却玻璃”涂层

作者设计并演示了一种溶液处理的光子“冷却玻璃”涂层，解决了基于聚合物和金属的辐射冷却结构的关键挑战，在环境条件下稳定、可扩展且成本低廉，同时展示了出色的无源性能和冷却性能。

2、通过双粒子设计优化了与被动辐射冷却相关的材料和尺寸效应

作者采用简单的两步工艺制造了冷却玻璃，该工艺耦合了玻璃颗粒和Al2O3颗粒，双粒子设计优化了与被动辐射冷却相关的材料和尺寸效应，特别是在大气透明窗口中结合了>0.96的高太阳反射率和~0.95的高红外发射率。

3、开发了简单、可扩展、经济高效且环境稳定的玻璃涂层

作者通过实验证明了制备的玻璃涂层具有优异的辐射冷却性能，可适用于恶劣条件，既可以降低能耗，有助于缓解全球变暖，又可以提高居住舒适度。

技术细节

模型指导设计

由于低熔点磷酸盐玻璃颗粒具有高耐用性、低软化性温度及丰富的红外活性振动模式，因此被选作形成冷却玻璃涂层的框架。为了进一步提高太阳反射率并实现多孔玻璃结构，选择了具有高熔点、太高折射率、高带隙的a-Al2O3颗粒用作抗烧结剂。首先利用Lorenz-Mie理论从理论上确定了玻璃和Al2O3颗粒的最佳尺寸，以分别最大化长波红外发射率和太阳散射效率。还使用Tidy3D软件通过全波模拟进一步验证了这些预测。

图  用于日间被动辐射冷却的环境稳定的玻璃涂层

工艺及结构

作者利用玻璃颗粒和Al2O3颗粒通过球磨均匀混合，然后通过烧结制备多孔光子复合材料。使用SEM观察烧结前后玻璃和Al2O3颗粒混合物的形貌，结果表明烧结前玻璃和Al2O3颗粒均匀混合，在烧结过程中，玻璃原料的粘度降低，有利于玻璃颗粒的快速合并和粘合，形成了较大玻璃簇的框架。通过用聚合物树脂填充空隙来进一步检查玻璃-Al2O3簇的多孔结构，表明涂层的孔隙率约为50%，孔径范围从几百纳米到约30毫米，这可以促进太阳散射并通过增加折射率对比度来提高太阳反射率。XRD结果显示Al2O3和玻璃颗粒的化学结构在烧结后保持不变。

图  辐射冷却玻璃涂层的制备和形貌

光学性能优化

通过检查不同Al2O3含量的玻璃涂层的太阳反射率和红外发射率，优化了冷却玻璃复合材料中Al2O3颗粒的质量含量。结果表明，40至60 wt%的Al2O3含量是确保涂层具有良好稳定性和高日光反射率的最佳范围。作者还研究了玻璃涂层厚度的影响，表明涂层的厚度必须>500 mm才能实现>0.95的太阳反射率，从而在约1000 W/m2的太阳辐照度下实现高低温辐射冷却性能。辐射冷却玻璃涂层在大气透明窗口中表现出0.96的高太阳反射率和高发射率，使其能够最大限度地减少太阳加热，同时以长波红外辐射的形式将热量向外层空间的冷汇辐射。此外，作者还证明该工艺与多种介电颗粒兼容，可有效地应用于曲面且可以轻松地按比例放大以进行大规模应用。

图  辐射冷却玻璃涂层的光学和热性能及屋顶应用的模拟二氧化碳减排量

环境稳定性

户外实验证实，即使在高湿度环境下，所开发的玻璃涂层在白天和夜间也表现出高辐射冷却性能。作者评估了瓷砖上玻璃涂层的粘合强度和阻燃性，证实了玻璃涂层的应用可行性。模拟雨滴冲击、烈火燃烧等测试表明该玻璃涂层在恶劣条件下也可以稳定应用，涂层的太阳光反射率几乎保持不变。通过覆盖透明涂层，可以进一步提供优异的抗污染功能。此外，只需将玻璃和Al2O3前驱体颗粒与无机染料混合即可改变辐射冷却玻璃涂层的外观，从而实现外观美化。

图  辐射冷却玻璃的环境稳定性

展望

总之，作者报告了一种用于开发环境稳定且具有成本效益的微孔光子玻璃涂层的双粒子设计方法。这种基于溶液的工艺具有可扩展性，可以通过刷涂或喷涂轻松应用于各种表面，包括屋顶和墙壁。优异的光学性能和环境稳定性使玻璃涂层即使在高湿度环境下也能提供出色的长期辐射冷却性能。该工作提供了一种具有高太阳反射率、高选择性长波红外、高抗环境退化性和高工作温度的辐射冷却结构，易于大规模和长期在建筑物、数据中心和冷链运输以及更极端环境（例如航空航天）中的应用。