香港城大曹之胤/香港理工王钻开合作Science：仿生辐射制冷陶瓷！

暴露在阳光下的地球表面吸收太阳热量，并以红外辐射的形式将热量释放回外太空。如果辐射的热量大于吸收的太阳能，那么白天的辐射冷却就被动地实现，无需任何能量输入。然而，这种方法要求材料既能强烈反射太阳光，又能同时发射长波红外线——这是逃离地球大气层而不被反射回来所需的波长。

使用纳米光子结构的被动辐射冷却技术因其成本高、与现有终端用途的兼容性差而受到限制，而聚合物光子替代品则缺乏耐候性和有效的太阳反射率。

基于此，香港城市大学曹之胤研究员、香港理工大学王钻开教授合作开发了一种蜂窝陶瓷，可实现高效的光散射和近乎完美的 99.6% 太阳反射率。这些特性加上高热发射率，使这种陶瓷能够在室外环境中提供持续的亚环境制冷，中午制冷功率大于每平方米 130 瓦，在全球范围内展示了节能潜力。冷却陶瓷的颜色、耐候性、机械坚固性和抑制莱顿弗罗斯特效应的能力等主要特点确保了其耐用性和多功能性，从而促进了其在各种应用领域（尤其是建筑施工领域）的商业化。相关研究成果以题为“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”发表在最新一期《Science》上。

【生物白度】

Cyphochilus是一种原产于东南亚的甲虫，是地球上已知的最白色的昆虫（图1a）。作者从这种甲虫复杂的生物结构中了解到如何设计坚固的陶瓷冷却器。在对甲虫鳞片散射系统的研究基础上（图1），作者采用分层多孔结构设计，从而获得近乎理想的Rsolar的冷却陶瓷。该冷却器制造简单，不需要精密仪器，也不需要精心调节参数，并且具有优异的日间冷却性能，从而降低了室内冷却的能耗。类似地，Cyphochilus甲虫鳞片的白色可归因于由几丁质丝网络和气穴的互补互连结构组成的散射系统。几丁质丝的尺寸与其散射性能具有很强的相关性。作者基于此，对散射特性进行了优化，以实现高视觉白度（图 1F）。

图 1. 世界上最白的甲虫

【高太阳光反射率冷却陶瓷】

在生物结构分析的基础上，作者通过相转化和烧结设计氧化铝颗粒以获得冷却陶瓷（图2A）。将由聚醚砜（PES）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和α-氧化铝组成的三组分均匀溶液浇注在平坦的基底上并浸入乙醇中。当乙醇扩散到铸件中并用NMP溶解时，就会发生相转化。该过程产生富含聚合物的膜，形成承载氧化铝颗粒的各向异性多孔网络。一系列的结构表征（图2）解释了为什么分层孔隙不仅使冷却陶瓷在可见光范围内呈现白色（类似于Cyphochilus的外观），而且在紫外和近红外范围内呈现白色。

同时，冷却陶瓷仅由多孔α-氧化铝组成，具有适合被动辐射制冷应用的理想固有电磁特性。分层孔隙系统的有效散射使冷却陶瓷能够以节省材料的方式实现所需的光学性能。厚度仅为150μm的冷却陶瓷即可实现Rsolar>95%，而高性能屋顶冷却涂层通常需要>1mm的厚度才能达到相同水平的光学性能。另一方面，冷却陶瓷在任何厚度的大气窗范围内都表现出较低的反射率。因此，厚的冷却陶瓷可以通过自身的高发射率散热，而薄的冷却陶瓷则不会阻碍基底的辐射散热，因此有利于应用在εAW 值已经足够的基底上，例如混凝土。

图 2. 工程分级多孔冷却陶瓷

【冷却性能评估】

作者在香港使用定制设计的热装置展示了陶瓷的冷却性能，并将其与常用的白色商用瓷砖作为对照进行比较（图3A）。在连续 84 小时的测量期间，冷却陶瓷始终保持低于环境空气温度的温度，平均低于环境温度差为3.8°C，最大低于环境温度差为8.8°C（图3B）。为了确保可重复性，作者在四个短时间内进行了冷却功率测量（图3C）。在夜间的两次测量中，冷却陶瓷产生的平均冷却功率分别为142和125 W/m2，而白色的平均冷却功率为128和117.3 W/m2商业瓷砖（图3C）。由于理想的Rsolar，冷却陶瓷在白天表现出与夜间相当甚至更优异的冷却性能，这对于解决白天高冷却能量需求是非常需要的。除香港外，他们还验证了冷却陶瓷在不同气候下的冷却性能（图3D），所有结果都证明了冷却陶瓷在各种应用环境下确保稳定冷却性能的能力。

图 3. 冷却性能特征

【节能评价】

利用被动辐射制冷技术最直接和最有吸引力的方法是使用冷却器覆盖建筑围护结构表面，冷却器可以直接暴露在天空中以减少建筑物的热负荷。为了研究实际应用中的冷却效果，作者建造了两个相同的模型房屋（图4A）。具体来说，中午时，带有白色冷却陶瓷的屋顶比商业瓷砖屋顶凉爽近5°C（图4B）。较低的屋顶温度意味着从屋顶到室内空间的热传递减少，导致装有白色冷却陶瓷的模型房屋的室内温度较低（图4B）。由于热负荷较小，冷却瓷砖样板房消耗的电力较少，在每个设定温度周期内分别节能26.8%、22.6%和19.6%（图4C）。考虑到冷却系统、风扇和加热设备消耗的能量，全球范围内的节能表现如图4D所示。

图 4. 作为建筑围护结构的应用

【适用性调查】

除了冷却之外，冷却陶瓷还可以提供多种其他功能，使其更接近实际应用。当建筑物发生火灾时，燃烧产生的热量会造成广泛的损害。为了扑灭火灾并降低建筑物的温度，必须使用蒸发冷却让围护结构表面与水直接接触。大多数商业瓷砖在温度高于280°C时可防止水润湿过热表面（图5A）。相比之下，该冷却陶瓷表现出超亲水性，可以使液滴立即扩散，在蒸发冷却过程中，冷却陶瓷在高于800°C的温度下抑制莱顿弗罗斯特效应（图5A，B）。冷却陶瓷还可以通过有机硅化合物浸渍从超亲水性转变为疏水性。冷却陶瓷具有致密的全无机结构，本质上赋予其优异的抗紫外线辐射能力。高宽带Rsolar对于冷却至关重要，但完全反射所有可见光会产生白色冷却器，无法满足当代城市景观的审美需求。在白色冷却陶瓷的基础上，作者开发了一种彩色冷却陶瓷，可以在色彩呈现和减少热负荷之间达到平衡。

图 5. 冷却陶瓷的适用性

【总结】

本文开发了一种陶瓷形式的无能源且坚固的日间被动辐射制冷材料，用于减少室内环境的冷却需求。该冷却器采用仿生多孔结构，可有效散射太阳辐射，实现99.6%的Rsolar。在实际应用演示和整个建筑能源模拟中，该冷却陶瓷展现出了巨大的节能潜力。该冷却陶瓷具有高耐候性、高机械强度、良好的可回收性、显着的莱顿弗罗斯特凹陷以及可选的颜色特征，易于大规模应用于不同场景和户外基础设施。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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