专栏名称: 研之成理

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深圳大学崔宏志教授团队ACS Nano：适用于高效建筑被动制冷的颗粒-块体过渡构造设计

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-10-05 14:57

正文

第一作者：严咸通博士

第一作者单位：深圳大学

通讯作者：崔宏志教授

通讯单位：深圳大学

论文DOI：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10659

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近日，深圳大学崔宏志教授团队在建筑适用的辐射制冷材料领域取得突破性进展。该研究成果以“Particle−Solid Transition Architecture for Efficient Passive Building Cooling”为题发表在纳米科学国际权威期刊《ACS Nano》上，首次报道了一种基于“颗粒-块体过渡构造” (Particle−Solid Transition Architecture, PSTA）适用于建筑混凝土表面的高效辐射制冷片材。通过颗粒-块体过渡构造设计，解耦了二元复合材料中的辐射制冷性能和建筑相容性，消除了基材对制冷颗粒的屏蔽效应以及传统制冷材料/器件面临的界面失配问题，实现了辐射制冷效率和界面粘结强度的大幅提升，为辐射制冷技术在建筑领域的规模化实际应用提供了有效方案。

研究背景

建筑制冷消耗了全球10%的电力并导致大量的碳排放。开发无电建筑制冷方案因而对于改善全球能源格局具有重要意义。日间被动辐射制冷（Passive daytime radiative cooling，PDRC）技术可实现无能量输入的高效被动降温，彻底改变了个人热管理、光伏制冷和水收集等领域，并在高能效建筑领域引起了广泛关注。然而，现有的辐射制冷材料/器件在建筑领域的实际应用需要在界面粘结强度和耐久性之间做取舍，水泥基辐射制冷材料因各组分均匀的空间分布而导致降温效果不佳。因此，如何调控辐射制冷颗粒的空间分布、打破复合材料的各向同性、提升辐射制冷颗粒的利用效率是辐射制冷材料在建筑领域实际应用面临的重要挑战。

本文亮点

研究者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。关键创新在于：设计了一种颗粒-块体过渡构造，实现辐射制冷效率和界面粘结强度的大幅提升；并开发了一种声激发纳米相分离技术，来调控辐射制冷颗粒在粘性水泥浆体中的空间分布，从而实现巧妙的一体化、非对称空间构造。进一步的研究表明，PSTA的设计概念也适用于不同种类的辐射制冷颗粒和无机胶凝块体。在超声波的高能机械震荡下，具有足够密度差的颗粒与块体材料的前驱体复合物均能展示出非对称空间分布，显著提升辐射制冷颗粒的利用效率。

图文解析

该高效辐射制冷片材由介电纳米颗粒和水泥基材料相互穿插而成，具有一体化的过渡双层结构特点（图1A-i）。其上层结构由负责反射太阳光和发射红外线的纳米介电颗粒构成，下层结构则由与混凝土表面具有化学相似性的水泥基体构成。在这一巧妙的设计中，大部分纳米介电颗粒聚集在上层结构中充分发挥辐射制冷性能，有效解决均匀混合结构（图1A-iii）因介电颗粒被基体屏蔽导致利用率低下的问题。值得注意的是，这些纳米介电颗粒部分镶嵌于水泥基体中，赋予双层结构界面较强的力学连续性，克服了涂层结构（图1A-ii）因界面强度差而易脱落的问题。

研究者选用BaSO₄(4.5 g/cm³)和白水泥(3.13 g/cm³)制备PSTA。在超声波的轰击下，密度不同的BaSO₄和白水泥颗粒朝不同方向下沉或上浮（图1B），形成一体化但非对称的空间分布。所制备的PSTA样品（图1C，25cm×15cm×0.5cm）在户外环境中展现出纯白色的外观，在太阳光波段（0.25-2.5μm）的平均反射率（R̅_solar=95.6%）和大气透明窗口波段（8-13μm）的平均发射率（ɛ̄_LWIR=97.4%）超过绝大多数文献中的数据并与其中最优秀的性能相当（图1D, E）。同时，PSTA样品与模拟建筑表面的波特兰水泥（OPC）之间的界面剪切强度达到930 kPa，远高于现有辐射制冷材料中常用的塑料、金属、玻璃与OPC间的界面强度（图1F）。此外，与已有的辐射制冷材料相比，PSTA样品还具备耐1,300℃高温，耐酸碱腐蚀，耐紫外线，耐磨损等多重优势（图1G）。

图1. PSTA的设计和性能表征

PSTA样品的性能与其微观形貌关系密切。图2A显示，PSTA的上层结构由大量分散均匀、堆积密实的BaSO₄颗粒和少量的水泥水化产物构成。相比之下，涂层结构中的BaSO₄颗粒显著团聚且堆积松散，而均匀混合样品仅有少量的BaSO₄颗粒稀疏地分布在表面。图2B粒径分布统计的结果也显示出三个样品表面BaSO₄颗粒在分散程度、堆积密度和数量上的差别。从侧面观察，PSTA样品展现出显著的非对称渐变界面特征，与涂层结构的突变式界面和均匀混合结构截然不同（图2C）。TGA测试结果（图2D）进一步证实了PSTA一体化的过渡双层结构。这种特殊的构造使PSTA顶部和底部的R̅_solar分别达到95.6%和83.4%，均高于两个对比样品的对应数值（图2E, F）。然而，由于BaSO₄和水泥在8-13μm波段均具有强烈的发射特性，结构特征对三组实验样品的ɛ̄_LWIR影响极小（图2G, H）。

PSTA的构造特征深刻地影响了其与太阳光子之间的相互作用（图2I）。当太阳光子照射到PSTA表面时，它们中的大多数直接被BaSO₄反射，只有一小部分继续在BaSO₄之间振荡。由于分散良好且堆积密集的BaSO₄消光系数极低，因此这部分太阳光子最终被内部的BaSO₄散射出去，从而最大限度地减少了太阳辐射的热量输入。相比之下，涂层样品由于BaSO₄的松散堆积和分散性差，部分太阳光子可到达下方的水泥基体并被吸收，导致显著的热量输入。相反，在均匀混合样品中，绝大部分BaSO₄ 被屏蔽在反射率较低的水泥基体中，导致大量太阳光子被水泥基体直接吸收，造成相当大的热量输入。

图2. PSTA的结构-性能关系

PSTA在0.25-2.5μm波段的高反射率依赖于BaSO₄的非对称空间分布、良好的分散性和较高的堆积密度，这些性质可由BaSO₄的掺量和超声波处理的时间调控。当BaSO₄的掺量从12.5 wt.%增加到70 wt.%时，PSTA的R̅_solar从66.1%显著提升至96.5%，并在50 wt.% 掺量时达到平台（图3A）。这是因为较高的BaSO₄掺量可提升其堆积密度，会产生更多的空气/颗粒界面，导致更强的光散射和更高的光反射强度。研究者还发现，超声时间太短时无法有效地分散BaSO₄颗粒或将其与水泥颗粒分离，而过长的超声波处理会导致BaSO₄在PSTA上分布不均匀。因此，存在一个15min的最佳值，比该值更长或更短的超声处理时间会导致R̅_solar的降低（图3B）。

对不同BaSO₄掺量PSTA样品折射率（n）和消光系数（k）的进一步计算揭示了BaSO₄的非对称空间分布如何影响其太阳反射率。图3C显示，随着BaSO₄在顶层结构中的占比从10 vol.%增加到58.26 vol.%，2.2μm处的n_PSTA从1.413增加到1.535，而k_PSTA从0.047显著降低到0.022。根据Snell定律可知，较大的折射率差可以在粒子/空气界面产生更急剧的折射率转变，导致更强的阳光散射。同时，k值的下降意味着PSTA不太容易被太阳光子激发。因此，PSTA不对称的空间分布使其上层结构中具有较高的BaSO₄占比，可以同时增强太阳光散射并减少太阳光吸收。

为了进一步揭示BaSO₄的堆积密度和分散性对PSTA散射行为的调控作用，研究者采用时域有限差分模拟来研究波长为780nm时三种不同情况下（图3D）太阳光子的近场电磁强度分布。图3E显示，分散良好的BaSO₄颗粒堆积松散时可以引发强烈的Mie散射。当BaSO₄ 的堆积密度升高时，该种散射效应可以进一步增强。这是因为更高的堆积密度增加了光通过的颗粒/空气界面的总数，从而产生了更有效的光散射。相反，堆积密实但分散较差的BaSO₄会增强相邻颗粒之间的依赖散射，严重削弱散射效率。因此，BaSO₄更高的堆积密度和优异分散性共同促进了PSTA对太阳光子的散射。

图3. PSTA的作用机理分析

为了更直观地展示PSTA的辐射制冷性能，研究者使用自制的测试装置（图4A, B）连续检测了一天中的环境空气（T_amb）、PSTA（T_PSTA）和OPC（T_OPC）样品的实时温度以及太阳辐射强度（P_Sun）。图4C显示，PSTA样品由于强烈的红外发射和高太阳反射的双重制冷效应展现出全天候低于室温的辐射制冷性能，而OPC样品由于较低的R̅_solar在太阳直射情况下快速升温至大幅高于室温。值得注意的是，与环境空气和OPC样品相比，PSTA的最大温降分别达到~6.6℃和~18.3℃（图4D, E）。即使在大气窗口的透射率降低以及湿度、P_Sun和风速增加引起的热增益升高时，PSTA仍然能维持低于环境温度4.8℃的制冷效果，表明其在动态复杂环境中的适用性。

为了从理论上量化PSTA的制冷效果并估算其在不同环境条件下的辐射制冷功率，研究者基于能量平衡方程计算了净制冷功率和静态制冷温度。当非辐射传热系数为12 W m⁻² K⁻¹，即样品直接暴露于空气中，PSTA在白天（T_amb=25℃，P_Sun=680W/m²）和晚上（T_amb=15℃，P_Sun=0W/m²）的净制冷功率分别为92.8W m⁻²和101.4W m⁻²（图4G, H）。此外，在白天或晚上，PSTA的静态制冷温度随着非辐射传热系数的降低而降低，表明其辐射制冷效果可通过抑制环境传导和对流的热增益来进一步增强。

应用在屋顶或外墙时，PSTA全天候的无电制冷性能可带来节能、减排和成本降低等多重收益。全球多个典型城市的标准建筑在应用PSTA前后一年内的制冷能耗计算结果表明，PSTA展现出从42.8%到82.3%不等的显著节能效果（图4H），显示PSTA在全球范围内广泛的适用性（图4I）。根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）计算，一栋部署了PSTA的20 m²典型住宅楼削减的二氧化碳排放量从120到1300 kg CO₂ e/m²不等（图4J）。全寿命经济周期计算的结果发现，PSTA的经济效益与制冷节能呈正相关，并随着使用寿命的延长而变得更加显著（图4K）。上述结果共同证明了PSTA的环境和经济可持续性，以及它在以无能源方式推动世界向凉爽未来过渡方面的巨大潜力。

图4. PSTA的室外制冷性能和可持续性分析

作者简介

严咸通，深圳大学博士后，博士毕业于香港城市大学，主要致力于仿生功能性表/界面材料的研发及在建筑节能领域的应用。入选“教育部第一批海外引才专项（国家级）”和“广东省海外博士后人才引进计划（省级）”；主持“国家自然科学基金青年基金”1项、“中国博士后科学基金面上项目“1项，并先后参与国家自然科学基金面上项目2项、深港澳科技计划C类项目1项；在相关领域发表了18篇SCI论文，其中以第一作者身份发表在Science子刊Science Advances（IF=13.7）、ACS Nano（IF=16.2）、Nano Energy（IF=16.8）的SCI论文有8篇。1篇论文被美国科学促进协会（AAAS）官方公众号重点报道，1篇论文被Science China: Physics, Mechanics and Astronomy编辑部列为特邀展示论文，Google Scholar总被引量约670余次。授权国家发明专利1项。

段文会，澳大利亚蒙纳士大学教授、澳大利亚技术科学与工程院院士。段教授长期致力于先进低碳工程材料的基础理论与关键技术研究，通过纳米科学、人工智能与仿生技术等多领域交叉融合，对纳米力学基础理论、工程材料精细表征与智能设计方法、工程材料仿生微纳结构设计范式等领域的发展做出贡献。作为澳大利亚ARC纳米工程中心创始主任，段教授召集了13所澳大利亚大学、7所国际顶尖高校和50多家工业合作伙伴（来自澳大利亚、新西兰、中国、新加坡和韩国），围绕纳米科学、建筑材料、绿色结构和城市运维四个重点领域，创建了一个覆盖范围广、行业影响大的全球合作关系网络，重点推广纳米工程材料、人工智能建造与仿生结构设计等学科的研究。

崔宏志，二级教授、博士生导师；国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发项目首席科学家、澳大利亚奋进研究学者；深圳大学“鹏城学者”特聘教授，深圳大学科学技术发展研究院院长、滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室常务副主任、亚热带建筑与城市科学全国重点实验室副主任。研究方向包括结构-功能一体化建筑结构材料、能源地下结构、韧性材料及结构等。发表中英文科技论文超过200篇，并被国内外学者广泛引用。连续多年入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单、“全球前2%科学家科学影响力榜单”和“终身科学影响力排行榜”；已授权发明专利20余件。荣获2023年广东省技术发明奖一等奖（排名1）、2022年中国发明协会发明创业奖一等奖（排名1）、2018年广东省自然科学奖二等奖（排名1）、2018年深圳市自然科学奖二等奖（排名1）等科技奖励。

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