來源：Science

原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9614

01 背景介紹

能源危機(jī)與氣候變化是21世紀(jì)人類面臨的兩項重要挑戰(zhàn)。當(dāng)前，制冷用電約占全球總用電量的10%。傳統(tǒng)制冷技術(shù)在大量消耗電能的同時，也增加了溫室氣體排放。鑒于此，尋找并發(fā)展新型制冷技術(shù)對于節(jié)約能源、推動碳中和進(jìn)程具有重要意義。天空輻射冷卻是通過大氣窗口波段（8-13μm）向溫度約為3K的外太空輻射熱量的被動式冷卻技術(shù)。當(dāng)材料輻射的紅外熱量大于吸收的太陽光能量時，即可實現(xiàn)日間冷卻效果而無需外界能量輸入。近10年，輻射冷卻技術(shù)在國際國內(nèi)取得了長足發(fā)展，然而，獲得一種兼具良好耐候性、可靠機(jī)械強(qiáng)度、低成本、可大規(guī)模制備的建筑用輻射冷卻材料是領(lǐng)域內(nèi)一直以來的瓶頸難題。

11月9日，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院趙東亮教授在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了題為“Staying stably cool in the sunlight（保持太陽直射下的穩(wěn)定冷卻）”的前瞻性觀點論文（Perspective）。論文針對輻射冷卻材料在戶外長期穩(wěn)定性這一關(guān)鍵難題，認(rèn)為陶瓷材料不僅光譜性能出色，而且具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，論文還從動態(tài)輻射冷卻及全生命周期評價兩方面對輻射冷卻技術(shù)進(jìn)行了評述和展望（Science 2023, 382, 644-645）。趙東亮教授為論文第一作者兼通訊作者，能源與環(huán)境學(xué)院博士研究生湯華杰為共同作者，東南大學(xué)為第一通訊單位。

02 成果掠影

近日，東南大學(xué)趙東亮教授課題組針對輻射冷卻材料在戶外長期穩(wěn)定性這一關(guān)鍵難題，認(rèn)為陶瓷材料不僅光譜性能出色，而且具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，論文還從動態(tài)輻射冷卻及全生命周期評價兩方面對輻射冷卻技術(shù)進(jìn)行了評述和展望。該團(tuán)隊從物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了不同類型材料在太陽光和紅外波段的光學(xué)特性，介紹了米氏散射協(xié)同調(diào)控材料光譜的設(shè)計原理，并認(rèn)為陶瓷（如氧化鋁Al₂O₃、二氧化硅SiO₂等）材料在建筑輻射冷卻領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。陶瓷材料通常具有較高的電子帶隙，其價帶上的電子無法被太陽光波段的光子激發(fā)至導(dǎo)帶，因此在太陽光波段表現(xiàn)出極低的吸收特性。同時，陶瓷材料在大氣窗口波段具有較高的紅外輻射特性。通過米氏散射定律對陶瓷材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)其在太陽光波段的高反射和紅外波段的高發(fā)射，以達(dá)到日間輻射冷卻效果。該前瞻性觀點論文以“Staying stably cool in the sunlight”為題發(fā)表于《Science》。

文章還詳細(xì)介紹了同期Science發(fā)表的關(guān)于陶瓷輻射冷卻材料的兩篇研究工作。Zhao等人（相關(guān)閱讀《一種溶液加工的輻射冷卻玻璃》）和Lin等人（相關(guān)閱讀《》）均通過燒結(jié)陶瓷顆粒-有機(jī)溶劑混合涂層的方法制備了具有高度緊湊結(jié)構(gòu)的微納多孔輻射冷卻材料。兩組科研人員分別通過優(yōu)化氧化鋁顆粒粒徑和氧化鋁骨架內(nèi)部孔洞尺寸，實現(xiàn)了高太陽光反射率。而隸屬于三方晶系的二氧化硅和六方晶系的氧化鋁，賦予了該類材料優(yōu)良的耐候性，即使在高溫煅燒、紫外照射等惡劣條件下仍能維持其高太陽光反射率。在屋面應(yīng)用該陶瓷輻射冷卻材料后，建筑內(nèi)部空調(diào)能耗相比于普通白色涂料建筑可降低26.8%。

03 圖文導(dǎo)讀

論文最后提出，通過使用陶瓷輻射冷卻材料來減少建筑碳排放的策略不能僅關(guān)注使用過程中的節(jié)能和成本效益，而應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全生命周期評價。此外，論文還介紹了動態(tài)輻射冷卻技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展瓶頸。動態(tài)輻射冷卻技術(shù)是基于外部環(huán)境條件（溫度、濕度、光照等）的變化，通過被動或主動方法調(diào)控材料太陽光及紅外光譜，實現(xiàn)制冷或制熱需求的輻射熱管理技術(shù)。未來，可大規(guī)模制備、低成本的動態(tài)輻射冷卻材料將會是該領(lǐng)域的重要研究方向之一。

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