科研進(jìn)展
蘭州化物所輻射制冷新材料研究獲新進(jìn)展
在全球氣候變暖和國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，清潔能源材料與節(jié)能降碳技術(shù)具有極為重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)降溫方法（如空調(diào)系統(tǒng)等）能源消耗大，導(dǎo)致溫室氣體排放顯著提升，嚴(yán)重阻礙“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。輻射制冷作為一種零能耗、零污染的制冷技術(shù)，為可持續(xù)碳中和提供了新的機(jī)會(huì)。該技術(shù)利用寬光譜選擇性精準(zhǔn)調(diào)控，通過(guò)針對(duì)性?xún)?yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足多場(chǎng)景制冷需求，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)無(wú)源制冷目標(biāo)。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室低碳能源材料組高祥虎研究員團(tuán)隊(duì)，通過(guò)熱誘導(dǎo)相分離技術(shù)制備了一種具有3D多孔結(jié)構(gòu)的介電/聚合物復(fù)合薄膜材料，實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異光譜選擇性的輻射制冷材料（圖1）。該復(fù)合薄膜材料內(nèi)部具有隨機(jī)分散的氧化鋁粒子和分層無(wú)序的微納孔隙，合理的層次結(jié)構(gòu)和功能成分有效提高了材料的光譜性能（太陽(yáng)輻射波段反射率98.26%、大氣窗口波段發(fā)射率97.56%）。在夏季日間太陽(yáng)直射下，可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度～9.1°C的降溫效果和～87.2 W/m2的冷卻功率（圖2）。在微觀光學(xué)機(jī)理方面，基于Mie散射理論建立模型對(duì)介電粒子及材料-空氣界面電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬。
圖1 復(fù)合薄膜材料的輻射制冷機(jī)制及理論驗(yàn)證
圖2 復(fù)合薄膜材料輻射制冷性能的戶(hù)外驗(yàn)證
此外，該材料在防冰融化的測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異的降溫效果。在～760 W/m2的太陽(yáng)輻照度下照射2個(gè)小時(shí)，具有復(fù)合材料遮蓋的冰塊狀態(tài)沒(méi)有明顯變化，與自然狀態(tài)相比，該方法能使冰融化速率降低四倍。同時(shí)，該復(fù)合材料還具有優(yōu)異機(jī)械性能和自清潔性能。經(jīng)過(guò)30多天的紫外照射，該復(fù)合材料仍保持優(yōu)異的光學(xué)性能。
該3D多孔介電/聚合物復(fù)合薄膜材料具有良好的光譜選擇性、機(jī)械強(qiáng)度、耐候性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備等優(yōu)點(diǎn)，在輻射制冷的規(guī)模化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用等方面具有重要意義，在促進(jìn)“碳中和”中展現(xiàn)出廣闊前景。
相關(guān)研究成果以“Polymer composites with hierarchical architecture and dielectric particles for efficient daytime subambient radiative cooling”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A(https://doi.org/10.1039/D2TA07453B)上。蘭州理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生岳乾為該論文第一作者，高祥虎研究員和蘭州理工大學(xué)張莉教授為共同通訊作者。
該工作得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破項(xiàng)目的支持。
