CEJ | 超雙疏界面增強(qiáng)無機(jī)涂層用于多環(huán)境耐受及零能耗建筑輻射冷卻

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研究背景

建筑熱舒適調(diào)節(jié)已占全球總電力消耗的約48%，造成巨大的能源開支與環(huán)境壓力。被動輻射冷卻技術(shù)通過自動反射太陽輻射并在大氣窗口（8-13 μm）自主發(fā)射熱輻射，實現(xiàn)零能耗、環(huán)境友好的建筑冷卻。然而，實際應(yīng)用中的污水、油污甚至灰塵往往不可逆地破壞輻射冷卻材料表面的光學(xué)選擇性，導(dǎo)致冷卻性能喪失甚至產(chǎn)生相反的熱積累。

現(xiàn)有超疏水表面設(shè)計可抵御水污染，但日常生活中更難以處理的油污污染卻常被忽視。同時，聚合物基輻射冷卻材料普遍存在耐老化性差的問題。開發(fā)全無機(jī)、兼具超疏水與超疏油（超雙疏）特性的輻射冷卻涂層，對于實現(xiàn)多環(huán)境耐受的持久冷卻至關(guān)重要。

基于以上背景，本研究以ZnAl層狀雙金屬氧化物微花為光學(xué)選擇性基底，交聯(lián)超雙疏SiO?納米粒子，制備了全無機(jī)超雙疏輻射冷卻涂層。開放多孔的微納結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的太陽反射率（~97.58%，以BaSO?歸一化）和熱發(fā)射率（~98%），同時對水（接觸角>158°，滑動角<5°）和油（接觸角>151°，滑動角<10°）均表現(xiàn)出高效排斥性，為建筑物在復(fù)雜污染環(huán)境下的零能耗冷卻提供了新路徑。

相關(guān)工作以“Superamphiphobic interface-enhanced inorganic coating for multi-environments tolerant and zero-energy building radiative cooling”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（JCR一區(qū)，中科院一區(qū)TOP，IF=13.2）上。

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研究內(nèi)容

本研究聚焦于解決被動輻射冷卻涂層在實際應(yīng)用中易受水、油、塵等多重污染導(dǎo)致光學(xué)性能失效的關(guān)鍵難題。研究團(tuán)隊通過原位生長法制備了ZnAl層狀雙氫氧化物微花，經(jīng)650°C煅燒轉(zhuǎn)化為具有開放多孔結(jié)構(gòu)的ZnAl層狀雙氧化物微花。隨后，利用TEOS和全氟癸基三氯硅烷在微花表面原位生長超雙疏SiO?納米粒子并接枝低表面能C-F鏈，最后通過二甲基乙氧基硅烷交聯(lián)獲得超雙疏輻射冷卻涂層。

在微觀結(jié)構(gòu)方面，ZnAl LDO微花呈現(xiàn)出明顯的花狀開放多孔結(jié)構(gòu)，粒徑約2.5 μm，經(jīng)超雙疏修飾后，表面被大量SiO?納米粒子包覆，形成亞微米級起伏。通過機(jī)械摩擦進(jìn)一步將表面粗糙度從1.1 μm提升至2.2 μm，使表面同時具備超疏水（接觸角158°）和超疏油（接觸角151°）特性，對水和大豆油的滑動角分別低于5°和10°，表面能低至4-5 mJ·m?2。

在光學(xué)性能方面，開放多孔結(jié)構(gòu)和SiO?納米粒子包覆形成的多級孔隙有效增強(qiáng)了Mie散射，結(jié)合ZnO、Al?O?的高折射率（1.7-1.9），涂層歸一化太陽反射率達(dá)97.58%，遠(yuǎn)超商業(yè)涂層的<90%。同時，Si-O-Si、Al-O、Zn-O及C-F鍵的強(qiáng)振動吸收賦予涂層高達(dá)98%的大氣窗口發(fā)射率，顯著優(yōu)于商業(yè)涂層的~93%。戶外實測表明，在>1400 W/m2太陽輻照度下，涂層實現(xiàn)約7°C亞環(huán)境降溫，比商業(yè)涂層低約5°C；即使無聚乙烯膜覆蓋，仍保持約3°C降溫效果。

在環(huán)境耐受性方面，超雙疏表面使涂層在油污染后仍能避免光學(xué)選擇性受損（商業(yè)涂層被油污染后溫度升高12.5°C）。涂層還具有優(yōu)異的抗紫外老化能力（1400 W/m2紫外照射6天后性能無衰減）、耐高溫（500°C以上分解）、自清潔（水滴攜帶粉塵滾落）及阻燃等特性。節(jié)能模擬表明，在炎熱地區(qū)（如海口），該涂層全年可實現(xiàn)約26%的綜合節(jié)能（同時考慮冷卻與加熱能耗）。

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研究數(shù)據(jù)

圖1. (a) 外部污染導(dǎo)致建筑輻射冷卻涂層光學(xué)性能損失的示意圖；(b) 理想PRC涂層的光學(xué)選擇性及表面污染引起的光學(xué)損失；(c) 太陽反射率降低導(dǎo)致的理想冷卻功率下降；(d) 超雙疏PRC涂層制備流程；(e) SAP-PRC涂層的超雙疏光學(xué)照片。

圖2. SEM圖像：(a-b) LDH微花；(c-d) LDO微花；(e-f) SAP-PRC涂層；(g) SAP-PRC涂層的EDS元素分布；(h) FTIR光譜；(i) XRD圖譜；(j) TG熱重曲線；(k) XPS全譜；(l) C 1s譜；(m) Si 2p譜。

圖3. (a) 超雙疏表面結(jié)構(gòu)示意圖；(b-d) 表面粗糙度與接觸角/滑動角測試結(jié)果（水接觸角>158°，油接觸角>151°）；(e) 基于不同液體的表面能計算；(f) 液滴在涂層表面的滲透穩(wěn)定性；(g) 大液滴抵抗能力測試。

圖4. (a) 表面微納結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵吸收引起的光學(xué)選擇性機(jī)制；(b) SAP-PRC涂層的太陽反射率（以BaSO?為參比）及歸一化反射率；(c) 單無機(jī)顆粒的散射電場分布；(d) 全光譜及大氣窗口平均紅外發(fā)射率；(e-f) 不同寄生熱系數(shù)下白天與夜間的理論冷卻功率；(g) 戶外冷卻裝置與氣象監(jiān)測設(shè)備；(h-i) 有PE覆蓋時SAP-PRC涂層的冷卻性能；(j-k) 無PE覆蓋時的冷卻性能。

圖5. (a) 建筑隔熱與散熱路徑及建筑陶瓷模型；(b) 不同天氣條件下SAP-PRC涂層在自制建筑上的冷卻能力；(c) 大豆油污染后建筑的冷卻能力；(d) 覆蓋SAP-PRC涂層后模擬能耗；(e) SAP-PRC涂層在中國不同城市的冷卻效率分布。

圖6. (a) 紫外輻射對SAP-PRC涂層太陽反射率和接觸角的影響；(b-c) 高溫和粉塵耐受性；(d) 大豆油污染后涂層的冷卻能力；(e) 油污導(dǎo)致涂層光學(xué)選擇性變化。

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研究結(jié)論

本研究在光學(xué)選擇性設(shè)計原則的指導(dǎo)下，通過微納表面工程策略成功制備了超雙疏界面增強(qiáng)的全無機(jī)輻射冷卻涂層。以具有開放多孔結(jié)構(gòu)的ZnAl LDO微花為光學(xué)選擇性基底，其高折射率（1.7-1.9）和全氧化物組分為優(yōu)異的太陽反射與紅外發(fā)射奠定了基礎(chǔ)；進(jìn)一步通過原位生長超雙疏SiO?納米粒子并輔以機(jī)械摩擦增強(qiáng)表面粗糙度，使涂層對水（接觸角>158°，滑動角<5°）和大豆油（接觸角>151°，滑動角<10°）均表現(xiàn)出優(yōu)異的排斥性，表面能低至4-5 mJ·m?2。微米級開放孔隙與SiO?納米粒子包覆形成的多級結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)Mie散射，配合ZnO、Al?O?的高折射率，使涂層的歸一化太陽反射率達(dá)到97.58%（商業(yè)涂層<90%）；同時Si-O-Si、Al-O、Zn-O及C-F鍵的強(qiáng)振動吸收賦予涂層高達(dá)98%的大氣窗口發(fā)射率（商業(yè)涂層~93%）。戶外實測表明，在>1400 W/m2太陽輻照度下，涂層實現(xiàn)約7°C亞環(huán)境降溫，比商業(yè)涂層低約5°C。超雙疏表面有效阻止水和油污對光學(xué)選擇性的破壞：油污染后，SAP-PRC涂層仍保持亞環(huán)境冷卻，而商業(yè)涂層溫度升高12.5°C；油煙霧污染僅使涂層反射率下降0.3%（商業(yè)涂層下降5%）。此外，涂層還具有優(yōu)異的抗紫外老化能力（1400 W/m2照射6天后性能無衰減）、耐高溫性（500°C以上分解）、自清潔性及阻燃特性。節(jié)能模擬表明，在炎熱地區(qū)（如?？冢采w該涂層全年可實現(xiàn)約26%的綜合節(jié)能（同時考慮冷卻與加熱能耗）；在西部干燥氣候區(qū)冷卻效率超過45%；即使在冬季需供暖的地區(qū)，全年節(jié)能效率仍保持在5%以上。本研究通過超雙疏界面與全無機(jī)光學(xué)選擇性結(jié)構(gòu)的協(xié)同策略，有效提升了輻射冷卻涂層在復(fù)雜污染環(huán)境中的耐受性，為零能耗建筑冷卻提供了可行的技術(shù)路徑。

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DOI：10.1016/j.cej.2023.146191

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