一種具有高光譜選擇性的無(wú)機(jī)輻射制冷薄膜

    輻射制冷是一種具有巨大應(yīng)用潛力和應(yīng)用前景的無(wú)碳制冷技術(shù)。它通過(guò)發(fā)射8-13微米的熱輻射將地表熱量導(dǎo)向太空，同時(shí)反射絕大部分的太陽(yáng)輻射，可使物體即使在正午太陽(yáng)光照下，也能達(dá)到低于空氣的表面溫度。然而現(xiàn)階段的輻射制冷薄膜，在遠(yuǎn)紅外波段的光譜選擇性較差，這限制了它們的降溫性能，這種降溫抑制在高濕度地區(qū)尤其明顯。

    近期，香港科技大學(xué)黃寶陵教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Materials》上報(bào)道了一種由溶液法制備的，具有高光譜選擇性的無(wú)機(jī)輻射制冷薄膜。此薄膜由一層反射膜，一層氮氧化硅膜和一層自排列二氧化硅微球組成，結(jié)構(gòu)上比此前報(bào)導(dǎo)的由光子多層膜體系制作的無(wú)機(jī)輻射制冷薄膜更為簡(jiǎn)單。該薄膜不但具有94.6%的大氣窗口（8-13微米）發(fā)射率，且遠(yuǎn)紅外光譜選擇性達(dá)到1.46，突破了此前無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高發(fā)射率和高選擇性的限制。配合96.4%的太陽(yáng)反射率，該薄膜在香港的高濕度環(huán)境以及沒(méi)有任何對(duì)流和輻射屏蔽情況下，獲得了高達(dá)5度的秋季正午降溫和高達(dá)2.5度的夏季正午降溫。此外，得益于薄膜自身的無(wú)機(jī)組份和疏水表面，在長(zhǎng)時(shí)間持久測(cè)試中，該薄膜展現(xiàn)了優(yōu)異的戶(hù)外環(huán)境抗性和自清潔功能，十分適合于高溫高濕地區(qū)使用。本文第一作者為香港科技大學(xué)博士后研究員林崇佳，共同一作為香港科技大學(xué)李洋博士。

    【研究亮點(diǎn)】

    1.相對(duì)于以往工藝復(fù)雜昂貴的超材料無(wú)機(jī)選擇性薄膜，本工作中的無(wú)機(jī)輻射制冷薄膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅包含三層功能層，制冷性能更加優(yōu)秀，且可通過(guò)溶液法批量制備，成本大為降低。該薄膜的表面散射使其顏色為白色，能有效避免鏡面反射導(dǎo)致的光污染問(wèn)題。

    2.該薄膜巧妙地運(yùn)用了硅氧鍵和硅氮鍵在致密層狀和顆粒狀態(tài)下，分別于大氣窗口內(nèi)互補(bǔ)的光學(xué)震動(dòng)峰值進(jìn)行結(jié)合，獲得了高紅外發(fā)射率（94.6%）同時(shí)兼具高光譜選擇性（1.46）。

    3.在香港的高溫高濕環(huán)境中，且不使用任何對(duì)流遮擋覆蓋的情況下，于秋季獲得了高達(dá)5度的正午降溫，于夏季獲得了高達(dá)2.5度的正午降溫。其制冷溫度比非遠(yuǎn)紅外選擇性制冷薄膜高出40%。

    4.得益于其全無(wú)機(jī)材料組份，該薄膜擁有優(yōu)異的耐紫外輻射和耐水浸泡性能。表面的無(wú)機(jī)粘合層和強(qiáng)疏水性，也使其擁有良好的耐久性和自清潔功能。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 輻射制冷薄膜的光譜和制備流程

    圖2 輻射制冷薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能

    圖3 制冷薄膜的戶(hù)外實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果

    圖4 制冷薄膜的性能對(duì)比和耐久性研究

    【小結(jié)】

    綜上所述，本工作提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輻射制冷薄膜，實(shí)現(xiàn)了大氣窗口的高發(fā)射率和遠(yuǎn)紅外的高選擇性，突破了此前二者難以兼得的限制。全無(wú)機(jī)組份和溶液法加工工藝也使其擁有更好的環(huán)境耐性和大規(guī)模低成本生產(chǎn)潛力。