南京大學唐少春教授團隊在輻射冷卻型降溫節能薄膜材料研究獲進展

近日，南京大學現代工程與應用科學學院唐少春教授團隊從三維結構設計入手，提出倒相法結合自沉積製備技術，成功獲得了一種由微米孔聚合物單面定向富集SiO2微球構築的新材料，其獨特新結構賦予該材料優異的輻射降溫性能；尤其是，該材料能夠在金屬、木材、塑料、纖維布料等不同基體表面沉積成膜實現高效降溫節能，為高性能輻射冷卻型被動降溫材料的發展提供了新的思路；該材料在應用時不僅能夠自支撐成膜，而且類似於塗料在基體表麵粉刷，具有良好的工業化應用前景。相關研究成果以「3D Porous Polymer Film with Designed Pore Architecture and Auto-Deposited SiO2 for Highly Efficient Passive Radiative Cooling」為題發表在國際能源類期刊《納米能源》上（Nano Energy, 2020）。

圖1. 團隊提出的獨特三維複合結構及其輻射冷卻降溫機理示意圖。

傳統的主動降溫系統（如空調）在冷卻降溫時，往往伴隨著大量的能量損耗以及對生態環境造成破壞的溫室氣體排放，尋求低能耗、環境友好的降溫方式成為人們致力追求的目標。輻射冷卻降溫能夠在不消耗任何不可再生能源的情況下，將熱量以電磁波的形式輻射到外太空去，被認為是最有前景的被動降溫方式。國際報導中，提升材料太陽光反射率常用的方法主要是通過加入紅外反射顏料（如TiO2等）或者在材料表面鍍一層高反射金屬塗層（如Ag等）。然而，無機紅外反射顏料對紫外光和紅外光的屏蔽能力無法達到日間輻射降溫的要求，高反射金屬塗層雖屏蔽能力強，但存在易腐蝕、鍍膜工藝複雜和成本昂貴等缺點。

針對上述問題，研究團隊從三維結構設計入手，提出將三維孔結構和定向富集無機球形顆粒的優勢集於一身。如圖1所示，該新型薄膜材料是由微米孔聚合物和單面定向富集二氧化矽（SiO2）微球構築而成，其中，聚合物微米級三維孔結構可高效反射全波段的太陽光，單面富集球形SiO2可實現中紅外熱輻射功能的最大化利用。在白天強烈太陽光照下，單面富集SiO2微球的薄膜不僅具備紅外線高發射率，而且具備極高的太陽光反射率，從而實現了輻射降溫；夜間，通過藉助具有Fr hlich作用共振增強效應的SiO2微球來達到輻射降溫的效果。

圖2. 輻射冷卻型複合纖維膜的SEM顯微圖：（B）纖維膜實物圖；（A）纖維膜頂部；（C）纖維膜底面；（D）纖維膜截面；（E）、靠近頂部的截面；（F）靠近底面的截面。

基於上述設計理念，團隊採用倒相法結合自沉積製備新技術，成功製備出以醋酸纖維素（CA）為骨架的輻射冷卻型複合纖維膜（產物如圖2B所示）。SEM顯微分析表明，倒相法的相分離過程產生了大量的微米級孔洞（孔徑大約5μm，孔隙率約55%），均勻分布於整個薄膜中；同時，在重力自沉降作用下，SiO2微球幾乎全部沉降在薄膜底部（對比圖2A和2C）。Cross-section截面顯微圖（圖2D-F）進一步證實了薄膜內部均勻分布的三維多孔和微球在單面富集的結構。

圖3. CA/SiO2微球複合纖維膜的光學性能和理論降溫功率：（A）反射光譜圖；（B-C）SiO2富集面的理論降溫功率；（D-E）纖維膜另一面的理論降溫功率（白天和夜間）。

由於獨特的三維結構，該複合纖維膜呈現出優異的光學性能，如圖3A所示。微米尺度的三維孔結構使纖維膜兩側的太陽光反射率均高達96~97%，且SiO2微球的單面定向富集，有效提升了複合纖維膜的紅外發射率（高達95%），遠高於未富積SiO2微球的一面（83%）。特別是太陽光反射率高於當前國際最新報導值，達到國際領先水平。基於反射光譜數據，研究團隊進一步開展了理論降溫功率計算，在不考慮非輻射傳熱（即不含熱傳導和熱對流）影響的前提下，夜間的理論降溫值高達~28 C，白天太陽光照下的理論降溫值高達~18 C（圖3B-F）。即使將高達6.9 W·m-2·K-1的非輻射傳熱係數考慮在內，夜間和白天的理論降溫功率也分別高達~11 C和~7 C。通過戶外試驗，再次驗證了複合纖維膜優異的輻射降溫性能。從圖4可以看出，纖維膜在夜間可獲得~8 C的降溫效果，即使在白天光功率值高達900 W·m-2的強烈太陽光照下，也能達到6.2 C的降溫效果。

圖4.複合纖維膜的戶外試驗結果：（A）纖維膜不同面朝向太陽時的薄膜溫度及環境溫度隨時間變化曲線；（B）不同面朝向太陽時的薄膜溫度與環境溫度的差值曲線。

尤其是，該研究報導的製備技術具有成本低、工藝簡單、適合大規模生產等優點，這種材料在應用中不僅能夠自支撐，還能夠像塗料一樣，在各種不同的基體材料（如金屬、木材、塑料、纖維布料等）表面沉積（圖5所示），從而達到高效降溫節能的目的，因此在建築節能、可穿戴降溫等領域具有廣闊應用前景。該工作為高性能輻射冷卻型被動降溫材料的設計和製備提供了一種有效途徑。

圖5. CA/SiO2微球複合纖維膜像塗料一樣，能夠在不同基體表面沉積 (A) 銅片；(B) 木塊；(C) 塑料片；(D) 聚酯纖維板。

課題組博士後相波（南京林業大學講師）為該論文第一作者，唐少春教授、孟祥康教授為論文的通訊作者，課題組副研究員張榮、博士後張晟為該工作在理論計算和實驗表徵方面提供了幫助。該研究受到國家自然科學基金、國家自然科學基金物理專項、江蘇省重點研發計劃項目、中國博士後基金、中央高校基本科研專項資金、江蘇省博士後基金等項目的資助。

來源：南京大學

論文連結

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105600

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