胡良兵教授最新Science，五年11篇正刊！

通过反射太阳光和发射长波红外线（LWIR）辐射到寒冷的宇宙（~3开尔文），被动的日间辐射冷却材料可以将建筑冷却所需的能量降低至60%。然而，开发既实用和应用又能显示长期环境稳定性的被动冷却结构是具有挑战性的。

在此，美国马里兰大学胡良兵教授等人开发了一种随机光子复合材料，该复合材料由微孔玻璃框架组成，框架具有选择性的长波红外发射以及相对较高的太阳反射率和氧化铝颗粒，可强烈散射阳光并防止多孔结构在制造过程中致密化。这种微孔玻璃涂层可以使即使在中午和夜间的高湿度条件下（高达80%），其温度下降的值分别为3.5°和4°C。这种辐射性的“冷却玻璃”涂层即使暴露在恶劣的条件下，包括水、紫外线辐射、污染和高温下，也能保持较高的太阳反射率。

相关文章以“A solution-processed radiative cooling glass”为题发表在Science上。

研究背景

全球每年约10%的电力使用用于建筑的空调，预计到2050年冷却需求将增加两倍，需要不同的方法来减轻电网的压力和对抗全球变暖。被动日间辐射冷却技术可以通过在建筑外壳上反射>90%的太阳辐射，并将热量通过大气透明窗口（8到13毫米）作为长波红外（LWIR）光进入寒冷的宇宙（~3 K），以实现亚环境温度。除了建筑使用，被动辐射冷却技术还可以有利于太阳能电池、发电厂冷凝器、用于个人热舒适的高性能纺织品、收集露水和减缓冰川融化。其中，基于纳米光子结构的被动辐射冷却方法（如复合陶瓷和金属）已经被证明有效。然而，这种结构需要复杂的纳米级精度的制造技术（通常是在真空室中），这使得它们难以扩展和昂贵，特别是在建筑应用中。

为了提高日间辐射冷却材料的可制造性，已经用有机聚合物演示了不同的方法，如聚合物-金属杂化膜、多孔聚合物涂层和泡沫、聚合物-介电涂料、脱木质素木材和多层聚合物膜。然而，有机聚合物暴露于环境条件下，包括紫外线、光、光、水和环境化学物质，这增加了材料的太阳能吸收，从而降低冷却功率，甚至导致加热。此外，用于聚合物或无机辐射冷却结构的金属，如银和铝，可以被空气中的化学物质氧化或硫酸化，从而导致太阳反射率降低。显然，环境稳定仍然是实际实施这一原本有前途的技术的一个障碍。虽然环境稳定的微或纳米陶瓷，如二氧化硅、碳化硅和氧化铝，已经被证明可以用于辐射冷却，但由于缺乏粘合剂，它们的机械强度较差，不适合建造建筑。此外，为了满足在更极端环境中的应用需求，例如航空航天热控制，被动辐射冷却材料需要承受高达1000℃的高温而不会导致性能下降。

研究内容

在这项研究中，作者设计并演示了一种“冷却玻璃”的溶液处理涂层，该涂层解决了聚合物和金属基辐射冷却结构的关键挑战，在环境条件下稳定，可扩展，低成本，同时展示了优异的被动冷却性能。

具体来说，作者用一个简单的两步法制作了冷却玻璃，将廉价的玻璃和氧化铝颗粒混合成一种很容易涂在基底上的浆液，然后对低熔点玻璃进行热退火，以实现多孔辐射冷却结构（图1A）。玻璃颗粒具有较低的软化温度（~350℃）和大气透明窗口中丰富的红外主动振动模式，作为非传统粘合剂，形成一个坚固的多孔支撑框架（特征尺寸为~12 mm；图1A），可以通过Fröhlich共振提供增强的选择性LWIR发射，同时将阳光散射到相当高的太阳反射率（图1B）。此外，将氧化铝颗粒（平均尺寸为0.5 mm）与玻璃颗粒（图1A）混合，通过允许Mie在太阳光谱中散射（图1B）来提高复合材料的太阳反射率，同时也作为抗烧结剂，防止玻璃颗粒完全致密，否则将导致阳光透明的结构。

图1. 一种用于日间被动辐射冷却的环境稳定的玻璃涂层

图2. 辐射冷却玻璃涂层的制作和形貌

这种双粒子设计优化了与被动辐射冷却相关的材料和尺寸效应，特别是结合了大气透明窗口的高太阳反射率>0.96和~0.95的高红外发射率。因此，在将该涂层（~550 mm厚）应用于1.5mm厚的玻璃基板后，室外实验表明，即使在高湿度（高达80%）下，基底温度可以比中午（30°C）环境温度低3.5°C（800 W/m²太阳辐照度），晚上低4°C（环境温度17.5°C）。

对中层公寓楼的模拟表明，在考虑冷却需求减少的情况下，在屋顶上覆盖辐射冷却玻璃可以使每年的二氧化碳排放减少10%。除了优异的性能外，冷却玻璃对基板（如瓷砖、砖、玻璃和金属）具有较高的粘附强度，即使在暴露在恶劣条件下，包括水、紫外线、污染和高达1000°C的高温火焰冲击，也能保持其较高的太阳反射率。因此，这种简单、可扩展、成本效益高、环境稳定的被动辐射冷却玻璃涂层既可以减少能源消耗，以帮助缓解全球变暖，并提高住宅的舒适度。

图3. 辐射冷却玻璃涂层的光学和热性能以及模拟屋顶应用的二氧化碳减排

图4. 辐射冷却玻璃的环境稳定性

综上所述，本文报道了一种双粒子设计方法，以开发环境稳定和可有效的微孔光子玻璃涂层，用于日间辐射冷却，避免使用有机聚合物、金属和复杂的多层结构。该设计的特点是大玻璃颗粒（直径~12毫米），在大气透明窗口内形成一个多孔框架，提供增强的选择性LWIR发射，同时将阳光散射到高太阳反射率。同时，加入较小的氧化铝颗粒（直径~0.5mm），以提高复合材料的太阳反射率，防止玻璃颗粒的完全致密化。辐射冷却玻璃涂层与许多具有不同软化点的玻璃框架和介电颗粒的不同组合相兼容，并且可以通过加入染料很容易地扩展到开发彩色辐射冷却玻璃涂层。这种基于解决方案的工艺是可扩展的，可以通过刷子或喷涂的方法轻松地应用于各种表面，包括屋顶和墙壁，而烧结处理可以通过多种方法来实现。这项工作提供了一种具有高太阳反射率、高选择性LWIR、高抗环境降解性和高工作温度的辐射冷却结构，可用于大规模和长期应用，如建筑、数据中心和冷链运输，以及应用在更极端的环境（例如航空航天）。

Xinpeng Zhao†, Tangyuan Li†, Hua Xie†, He Liu†, Lingzhe Wang, Yurui Qu, Stephanie C. Li,

Shufeng Liu, Alexandra H. Brozena, Zongfu Yu, Jelena Srebric, Liangbing Hu*, A solution-processed radiative cooling glass, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224

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