来源 | ACS Nano
01
背景介绍
建筑制冷消耗了全球约10%的电力并产生大量碳排放，开发无电建筑制冷方案因而对于改善全球能源格局至关重要。日间被动辐射制冷（PDRC）技术可实现无能量输入的高效被动制冷，彻底革新了个人热管理、光伏制冷和水收集等领域，并在高能效建筑领域引起广泛关注。然而，现有辐射制冷材料/器件在建筑表面（特别是在混凝土墙面）的应用常面临材料失配而导致的易脱落/失效问题。
粘性有机辐射制冷涂层、薄膜、以及无机纳米介电颗粒可缓解辐射制冷材料与建筑表面材料失配问题。其中，聚合物涂层可将有机分子嵌入凹凸不平的建筑表面，形成较强的界面互锁作用，从而增强界面粘合力。然而，有机分子链在紫外线的长期照射下易导致涂层变黄以及太阳反射率降低。
相较之下，具有离散形貌和纳米尺寸的无机介电颗粒可沉积在建筑的粗糙表面，形成反射阳光和释放热能的隔离层。此外，无机介电颗粒在紫外线波段吸收极低，具有优异的抗紫外线性能。然而，无机介电颗粒与建筑表面之间通过脆弱的范德华力和静电力结合，易受机械磨损、冲击或磨蚀的破坏。因此，对于辐射制冷材料而言，同时获得较强的界面结合强度和优异的抗紫外线性能是极具挑战的。
近年来，纳米介电颗粒改性的水泥基复合材料由于与混凝土材料的相容性和可靠的抗紫外线性能而备受关注。二者的结合可通过高强的化学键提高辐射制冷材料与建筑表面的界面强度；同时，纳米介电颗粒的引入可通过增强阳光反射来大幅提升水泥基材料的日间辐射制冷性能，实现辐射制冷性能和建筑相容性相的结合。然而，纳米介电颗粒在复合材料中的均匀分布使大部分颗粒被不透明的水泥基体屏蔽，阻碍了太阳反射和红外发射。因此，纳米颗粒的利用效率被大幅削弱，难以实现全天候低于室温的辐射制冷效果。
传统的水泥基辐射制冷材料因各组分均匀分布而导致辐射制冷颗粒利用效率低下、降温效果不佳。如何调控辐射制冷颗粒的空间分布、打破复合材料各向同性、提升辐射制冷颗粒利用效率是辐射制冷材料在建筑领域应用面临的重要挑战。目前缺乏新颖的设计和有针对性的手段解决上述问题；其相关的性能变化规律、作用机理、以及全寿命可持续性效益分析也有待深入系统研究。
02
成果掠影
近日，深圳大学土木与交通工程学院崔宏志教授团队研发了一种兼具高效被动制冷性能和建筑相容性的辐射制冷片材。具体为：设计了一种基于颗粒-块体过度构造（Particle−Solid Transition Architecture, PSTA），实现辐射制冷效率和界面粘结强度的大幅提升。开发一种声激发纳米相分离技术调控辐射制冷颗粒在粘性水泥浆体中的空间分布，从而实现一体化、非对称的空间构造；测试PSTA的辐射光学特性及其与基体材料的界面粘结强度，检验其耐久性和可靠度；通过对比研究阐述PSTA的构造-性能关系，并通过时域有限差分模拟揭示其作用机理；通过户外测试检验PSTA在实际环境中的制冷性能，从理论上量化其在不同环境条件下的辐射制冷功率；通过计算评估PSTA在全球典型城市的节能潜力、全寿命减碳潜力以及全寿命经济增益。研究成果以“Particle−Solid Transition Architecture for Efficient Passive Building Cooling”为题发表在《ACS Nano》期刊。
03
图文导读
图1. PSTA的设计和性能表征。
图2. PSTA的结构-性能关系。
图4. PSTA的室外制冷性能和可持续性分析。
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总结
本文展示了一种基于颗粒-块体过渡构造（PSTA）的高效水泥基辐射制冷片材。主要结论如下：
（1）本文将纳米BaSO4焊接在水泥基材料上，融合了高效日间辐射制冷特性与建筑相容性。在该设计中，BaSO4纳米颗粒部分暴露而非完全嵌入水泥基体中，可充分发挥辐射制冷特性，根本上避免了均匀复合材料中水泥基体的屏蔽效应。
（2）本文所用基体与建筑表面具有化学自相似性，从而消除了现有辐射制冷涂层、薄膜或块体中常见的界面材料不匹配问题。在超声波高能机械震荡下，具有足够密度差的颗粒与块体材料前驱体复合物均展示非对称空间分布，显著提升辐射制冷颗粒的利用效率。
（3）PSTA展现出优秀的日间辐射制冷性能，显著高于现有文献所报道的数据或与文献中最好的性能相当。同时，PSTA与建筑表面的界面结合强度是现有研究中常用金属、玻璃和聚合物的几倍。
（4）PSTA设计同样适用于不同种类水泥基体与其他类型辐射制冷颗粒（如Al2O3、BN、TiO2和CaCO3等）之间的融合。从更广泛视角看，在保持材料完整性的同时解耦二元复合材料的两种不同（甚至对立）功能可应用于具有不同密度和功能的材料，促进动态感知/温度自适应辐射制冷材料的发展。
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