CEJ | 具有增強熱耗散的可擴展雙層薄涂層用于被動日間輻射冷卻

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研究背景

在2050年前實現碳中和已成為全球性挑戰。現有冷卻技術（如空調）能耗巨大且排放大量溫室氣體，給國家電力系統造成沉重負擔并加劇全球污染。被動日間輻射冷卻技術通過反射太陽光（0.3-2.5 μm）并同時通過第一大氣透明窗口（8-13 μm）將自身熱量輻射至寒冷外太空（3 K），完全環保且無額外能耗，在抑制傳統壓縮式冷卻系統濫用方面極具潛力。

然而，現有輻射冷卻材料面臨關鍵瓶頸：為實現高效冷卻，多孔聚合物膜通常需要300-800 μm的厚厚度，但實際應用（如車輛、移動設備、太陽能電池等）要求涂層厚度小于120 μm。如何在薄厚度與高冷卻效率之間取得平衡，成為該領域最緊迫的挑戰之一。此外，對于車輛、數據中心、工廠、基站、戶外LED顯示屏等產熱場景，輻射冷卻涂層還需具備高熱導率以有效耗散熱流。

基于以上背景，本研究提出一種可擴展的雙層薄涂層，由水性聚氨酯/空心玻璃微珠頂層和聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)/氧化鋅納米立方體底層組成，在僅100 μm的厚度下實現了0.92的太陽反射率、0.93的長波紅外發射率和1.702 W·m?1·K?1的相對高熱導率，為高效熱管理提供了新策略。

相關工作以“Scalable bilayer thin coatings with enhanced thermal dissipation for passive daytime radiative cooling”為題發表在《Chemical Engineering Journal》（JCR一區，中科院一區TOP，IF=13.3）上。

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研究內容

本研究聚焦于解決被動日間輻射冷卻涂層厚度與冷卻效率之間的矛盾。研究團隊創新性地設計了一種雙層結構涂層：頂層由水性聚氨酯和空心玻璃微珠組成，底層為P(VdF-HFP)和ZnO納米立方體復合層。通過逐層澆鑄法制備，總厚度僅100 μm（底層65 μm，頂層35 μm）。SEM顯示HGB呈標準球形空心結構（粒徑6-15 μm，峰值9 μm），ZnO為不規則立方體（200-650 nm，峰值450 nm）。EDS mapping證實HGB中含Si、O、Na、C，ZnO中含Zn、O均勻分布。

在光學機制方面，ZnO納米立方體憑借其高折射率（~2.0）和合適的粒徑分布（400-500 nm散射效率最高），對可見光產生強散射；同時作為N型半導體，其價帶電子可吸收紫外光能量產生躍遷，實現約80%的紫外吸收。HGB的大尺寸微米級分布使其對近紅外光反射率較高（0.75），但對可見光反射不足，且其SiO?組分帶來一定紫外吸收（25%）。雙層結構完美結合了兩者優勢，太陽反射率（0.92）遠高于任一單層雜化涂層。FDTD模擬進一步證實，400-500 nm ZnO和6-15 μm HGB的粒徑分布與計算結果高度吻合，有利于提高單位面積散射效率并降低厚度。

在紅外發射方面，WPU中C-O-C和Si-O-Si在10 μm處具有強寬吸收峰，P(VdF-HFP)中C-F鍵在8.5、9.3和11.4 μm處有多個強吸收峰，這些振動落在8-13 μm大氣窗口內，賦予涂層0.93的高發射率。涂層厚度優化表明，100 μm是達到0.92太陽反射率的最小厚度限，而發射率在60 μm即達飽和。最佳厚度比為底層/頂層=1.85（65 μm/35 μm），固含量70%時性能最優。

在熱耗散方面，ZnO納米立方體具有60-70 W·m?1·K?1的高熱導率，HGB雖整體熱導率低（0.006 W·m?1·K?1），但其SiO?殼層熱導率為1.3-1.5 W·m?1·K?1，在超薄WPU基質中緊密堆積時形成短熱傳輸路徑。因此，涂層熱導率達1.702 W·m?1·K?1（面內5.780 W·m?1·K?1）。將涂層置于80°C熱臺上5秒即升溫至76°C，遠高于純WPU膜的升溫速率，表明其高熱擴散能力。

在冷卻性能方面，戶外實測（上海，8月4日，平均太陽輻照度~883 W/m2，相對濕度~40.7%）顯示，涂層實現亞環境降溫8.1°C。汽車應用測試中（10月2日，~700 W/m2），涂層車比商用白漆車低5.3°C，比黑漆車低9.8°C。室內上環境冷卻測試（硅橡膠加熱器，1000 W/m2恒定熱輸入）中，涂層使加熱器溫度比傳統涂層低7.6°C；戶外相同條件下（太陽輻照度~768 W/m2），涂層使加熱器溫度降低18.1°C。理論計算表明，白天凈冷卻功率為51.3 W/m2，夜間為131.3 W/m2。

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研究數據

圖1. 可擴展雙層薄PDRC涂層的結構設計。(a) 雙層薄涂層結構設計及PDRC實現示意圖；(b) 雙層薄涂層橫截面SEM圖像；(c) HGB和(d) ZnO納米立方體的SEM圖像；(e-h) HGB中Si、O、Na、C的EDS元素映射；(i,j) ZnO納米立方體中Zn、O的EDS元素映射。

圖2. 可擴展雙層薄PDRC涂層的光譜信息。(a) 100 μm厚度涂層的太陽反射光譜及歸一化ASTM G173全球太陽光譜；(b) 100 μm厚度涂層的LWIR發射光譜及大氣透明窗口；(c) 本工作與已報道輻射冷卻材料在厚度、太陽反射率和LWIR發射率方面的對比；(d) P(VdF-HFP)和(e) WPU薄膜的消光系數和折射率光譜；(f) 雙層薄PDRC涂層的紅外吸收光譜。

圖3. (a) ZnO納米立方體和(b) HGB的消光系數和折射率光譜；(c) P(VdF-HFP)/ZnO和(d) WPU/HGB在不同填料尺寸下的理論太陽散射效率；不同(e)厚度比和(f)厚度下雙層薄PDRC涂層的平均反射率和發射率計算值。

圖4. PDRC涂層的熱耗散能力。(a) 低熱導率與(b) 高熱導率PDRC材料的熱輻射與熱傳導示意圖；(c) 不同溫度（20-70°C）下100 μm雙層薄PDRC涂層的熱導率；(d) 雙層薄PDRC涂層和WPU薄膜（100 μm）在80°C熱臺上5秒后的熱像圖；(e) 大尺寸（50 cm×50 cm）雙層薄PDRC涂層在直射陽光下的照片和(f) 熱像圖。

圖5. 可擴展雙層薄PDRC涂層的冷卻性能。(a) 測試設備和地點照片；(b) 正午雙層薄PDRC涂層與環境溫度的實時跟蹤記錄；(c) 涂覆雙層薄PDRC涂層、商用白漆和黑漆的汽車溫度對比；(d) 帶硅橡膠加熱器的熱箱裝置二維示意圖，用于模擬上環境冷卻；(e) 無太陽輻照和(f) 有太陽輻照下，雙層薄PDRC涂層與傳統涂層覆蓋的硅橡膠加熱器實時溫度跟蹤記錄；(g) 白天和(h) 夜間雙層薄PDRC涂層的理論凈冷卻功率。

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研究結論

本研究成功開發了一種雙層結構PDRC涂層，在僅100 μm的厚度下實現了0.92的太陽反射率和0.93的長波紅外發射率，其厚度為此前報道PDRC薄膜的三分之一至八分之一。該涂層由水性聚氨酯/空心玻璃微珠頂層和P(VdF-HFP)/ZnO納米立方體底層組成。ZnO納米立方體（200-650 nm，峰值450 nm）憑借高折射率（~2.0）對可見光產生強散射，同時作為N型半導體的紫外吸收（~80%）有效抑制紫外加熱；HGB（6-15 μm，峰值9 μm）通過大尺寸微米級分布對近紅外光實現高反射（0.75），其SiO?殼層同時貢獻紅外發射。兩者協同使雙層結構涂層的太陽反射率（0.92）顯著高于任一單層雜化涂層（P(VdF-HFP)/ZnO層~0.7，WPU/HGB層~0.75）。WPU中C-O-C和Si-O-Si鍵在10 μm處的強寬吸收峰，結合P(VdF-HFP)中C-F鍵在8.5、9.3和11.4 μm的多重強吸收峰，賦予涂層0.93的大氣窗口發射率。更重要的是，ZnO納米立方體的高熱導率（60-70 W·m?1·K?1）與HGB SiO?殼層（1.3-1.5 W·m?1·K?1）在超薄WPU基質中的緊密堆積形成短熱傳輸路徑，使涂層熱導率達1.702 W·m?1·K?1（面內5.780 W·m?1·K?1），遠高于傳統聚合物涂層。戶外實測表明，在平均太陽輻照度~883 W/m2、相對濕度~40.7%條件下，涂層實現亞環境降溫8.1°C；汽車應用中比商用白漆車低5.3°C，比黑漆車低9.8°C。在上環境冷卻測試中，涂層使硅橡膠加熱器溫度比傳統涂層降低7.6°C（室內）和18.1°C（戶外，太陽輻照度~768 W/m2）。理論計算顯示白天凈冷卻功率51.3 W/m2，夜間131.3 W/m2。該可擴展、環保、低成本的雙層薄涂層可大規模噴涂于建筑、汽車、數據中心、基站、LED顯示屏、CPU系統、可穿戴設備等，為熱管理提供了新策略，并有力推動了PDRC材料的實際應用與生態保護。

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DOI: 10.1016/j.cej.2024.153182

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