材料科学系武利民课题组在高效被动辐射冷却材料领域取得重要进展

作者:摄影: 视频: 来源:材料科学系发布时间:2021-01-15

被动辐射冷却技术是将波长范围约在0.3-2.5μm的太阳光高反射回去,同时把自身热量通过波长为8-13μm的大气透明窗口散逸到寒冷的外太空。这样,无需损耗电能就能实现建筑物表面的自发降温,有望替代基于空气压缩的制冷系统。但现有的被动辐射冷却技术往往需要使用复杂昂贵的加工设备,难以大规模推广,且存在湿热环境降温效果差等问题。

图1.(a)PMMAHPA薄膜的制备过程示意图(b-c)SiO2阵列模板的扫描显微图像

(d-g)PMMA/SiO2复合薄膜的扫描显微图像和元素分布图(h-i)PMMAHPA薄膜的扫描显微图像

图2.(a)该材料用于建筑物屋顶时的降温原理示意图(b-c)PMMAHPA薄膜的光反射和光发射效率

为此,武利民团队通过在聚合物薄膜表面设计密集排列的微米多孔阵列结构,并在其内部引入大量的随机分布的纳米级孔道(图1所示)。由于薄膜上丰富的多级孔道及密集排列的阵列结构能够高效散射太阳光并且增加热的发射率,使得该薄膜在太阳光谱范围内的反射率高达~0.95,长波红外发射率高达~0.98(图2所示)。这样,在夜间,其自身温度可比环境温度低约8.2°C;即使暴露在正午900 W/m2的太阳光下,自身温度仍然比环境温度低6.0-8.9°C(图3所示),平均冷却功率可达85W/m2。尤其是,即使在炎热潮湿气候下,该聚合物薄膜也能实现约5.5°C的日间降温(图4所示),实现了全天候环境的高效被动辐射冷却,优于目前最好的被动辐射冷却技术。

图3.(a)PMMAHPA薄膜的外观照片和水接触角 (b)PMMAHPA薄膜的色度坐标 

(c-e)四种不同结构聚合物薄膜的全天被动辐射冷却性能对比

图4.(a-i)PMMAHPA薄膜在不同地点和天气下的日间被动辐射冷却性能对比

该研究从理论模拟和实验验证两个方面揭示了聚合物内部的微纳多孔结构及其阵列结构对光学性能的影响,有助于人们开发更简单、廉价、高效的被动辐射冷却技术,用于节能减排。相关成果以“A structural polymer for highly efficient all-day passive radiative cooling”为题于1月14日在线发表于《自然-通讯》(Nature Communications)。

武利民课题组的博士生王彤为该论文的第一作者,材料科学系教授武利民为该论文的通讯作者,材料科学系教授陈敏、胡新华多次参与了讨论。研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委创新研究群体的共同资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-20646-7

制图:实习编辑:边欣月责任编辑:

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