Advanced Science | 光子工程熒光三層聚合物涂層用于亞環境彩色輻射冷卻

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研究背景

全球變暖導致制冷需求激增，過度使用空調加劇溫室氣體排放，進一步強化溫室效應。被動日間輻射冷卻通過被動熱輻射將熱量傳遞至寒冷外太空，為可持續熱管理提供了解決方案。然而，傳統輻射冷卻材料通常呈現白色或鏡面外觀，隨著輻射冷卻產品（涂料、紡織品、陶瓷等）日益商業化，顏色不僅關乎美學，還涉及視覺偽裝、彩色反光路面等功能性應用。

實現彩色同時保持高輻射冷卻性能的有效策略之一是采用精心設計的光子結構，但復雜的結構構型往往需要沉積、光刻等設備密集型制造工藝，成本高昂且不利于大規模制備。熒光材料可將吸收的光轉化為熒光光子并以更長波長重新發射，從而在著色過程中減少太陽加熱。然而，熒光涂層的有效太陽反射率測量受限于其固有的光子波長轉換特性，且同時實現高亞環境冷卻性能、鮮艷色彩和有效自清潔功能仍是一項重大挑戰。

基于以上背景，本研究提出了一種光子工程熒光三層聚合物涂層，利用Purcell增強熒光發射和優化的光子結構，實現了紅、黃、綠三色分別高達94%、96.3%和96.1%的有效太陽反射率，同時在大氣窗口（8-13μm）內紅外發射率超過96%，白天亞環境降溫達5.4-7.2°C，為高性能彩色輻射冷卻材料的設計開辟了新途徑。

相關工作以“Innovative Photon-Engineered Fluorescent Tri-Layer Polymeric Coatings for Sub-Ambient Colored Radiative Cooling”為題發表在《Advanced Science》（JCR一區，中科院一區TOP，IF=14.1）上。

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研究內容

本研究聚焦于解決彩色輻射冷卻材料在冷卻效率、色彩鮮艷度和自清潔功能之間的協同難題。研究團隊設計了一種三層涂層結構：底部為BaSO?納米顆粒（平均粒徑1.5 μm）的太陽反射層（厚度≈500 μm，體積分數≈75%），提供97.6%的太陽反射率和94.0%的大氣窗口發射率；中間為Y?O?納米顆粒（平均粒徑1 μm）包裹磷光體的彩色熒光層（厚度≈20 μm）；頂部為硅烷改性SiO?納米顆粒（20 nm）的超薄透明層（≈3 μm），賦予超疏水自清潔性能。

在熒光增強方面，研究利用Y?O?納米顆粒包圍磷光體形成Purcell腔，加速熒光再發射并提高PLQY。紅、黃、綠磷光體分別為Sr?Si?N?:Eu2?、Y?Al?O??:Ce3?和Lu?Al?O??:Ce3?。PLQY測試顯示，Purcell效應對紫外區域的PLQY提升尤為顯著，黃色磷光體在300 nm處增強因子超過12。在峰值激發波長處，紅、黃、綠磷光體的PLQY分別提高了約40%、5%和10%。熒光壽命衰減的加速進一步證實了Purcell增強效果。

研究團隊開發了改進的蒙特卡羅方法用于光學模擬和優化。通過模擬不同Y?O?體積分數、磷光體含量和PLQY對冷卻性能的影響，確定了最佳配方：紅色涂層中Y?O?和磷光體體積分數分別為60%和5%；黃色和綠色涂層均為40%和10%。模擬表明，PLQY對高激發光吸收性磷光體（如紅色）的冷卻功率影響最為顯著——當磷光體濃度為20 vol.%時，PLQY從0%提升至100%使紅色涂層的冷卻功率增強約180 W/m2，而黃色和綠色僅增強約40和30 W/m2。

在光學性能方面，常規UV-Vis-NIR光譜法測得的三色反射率分別為93.6%、95.4%和95.2%，但該方法無法準確表征熒光涂層的有效太陽反射率。通過擬合方法獲得的真實ESR為紅94%、黃96.3%、綠96.1%，與MMC模擬值（93.0%、95.8%、95.7%）高度吻合。熒光對有效太陽反射率的貢獻分別為紅5.4%、黃1.8%、綠1.2%。所有PFTPCs在大氣窗口（8-13 μm）的LWIR發射率均超過96%。

戶外冷卻測試在香港進行（22.4°N，114.2°E），代表高濕度亞熱帶氣候。在晴朗中等相對濕度（≈32%，700 W/m2）條件下，紅、黃、綠涂層在11:00-13:00分別實現5.4°C、7.2°C和5.9°C的亞環境降溫。在晴朗高相對濕度（≈57%，≈850 W/m2）條件下，紅涂層接近環境溫度，黃和綠涂層分別實現2.1°C和1.9°C亞環境降溫，比商業彩色涂料競品分別低4.3°C、3.7°C和5.1°C。陰天高濕度（≈63%）條件下，紅涂層維持環境溫度水平，黃和綠涂層實現約3°C亞環境降溫。

建筑能耗模擬表明，PFTPCs作為屋頂涂層在全國幾乎所有氣候區均表現出優異節能性能，臺北市年節能量達18,808 kWh（≈67.7 GJ），節能率近30%；作為墻體涂層，香港年節能量達5,786 kWh（≈20.8 GJ），節能率約10%。

在耐久性與自清潔方面，PFTPCs的水接觸角達157°，滑動角僅0.5°，表現出優異的超疏水性能。抗污測試顯示對泥漿、碳黑等污染物具有良好排斥性，且能有效抵抗代表不同氣候區（熱干、濕熱、溫和）的典型積塵。經120小時紫外照射后，彩色熒光涂層的白度指數保持穩定，而商業競品在24小時內即出現明顯白化。FTIR證實聚合物基質在紫外照射后化學結構幾乎未變。經100次機械磨損循環后，WCA仍保持150°以上，SA低于10°；高速水沖擊測試中WCA保持150°以上，SA低于6°。綜合六維評估（日間冷卻能力、可擴展性、成本效益、環保性、紫外耐受性和自清潔性能）確認PFTPCs全面優于商業競品，實驗室成本約6.7 $/m2，與商業聚合物涂層相當。

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研究數據

圖1. 光子工程熒光三層聚合物涂層的設計與建模。(a) PFTPCs的結構與工作機理；(b) 利用Y?O?納米顆粒包圍磷光體模擬Purcell腔的示意圖；(c) 紅、黃、綠三種磷光體的激發和發射光譜（背景為歸一化AM 1.5太陽輻照度）；(d) 所提出的熒光彩色輻射冷卻涂層的理想反射光譜示意圖（黃色區域：歸一化太陽輻照度AM 1.5；藍色區域：大氣窗口）；(e-g) 紅、黃、綠熒光涂層在增加磷光體體積分數和PLQY時的冷卻功率（Y?O?體積分數和彩色中間層厚度分別為0%和20 μm）。

圖2. PFTPCs的結構、光譜和顏色表征。(a) 熒光三層聚合物涂層的橫截面形貌（頂層黃色假色標示）；(b) 涂層中三種磷光體被Y?O?納米顆粒包圍的形貌（從左至右：紅、黃、綠）；(c-e) 紅、黃、綠磷光體在有無Y?O?納米顆粒的涂層中的PLQY；(f) 常規UV-Vis-NIR光譜測試和MMC模擬獲得的PFTPCs太陽反射率和紅外發射率光譜；(g) 1931 CIE色度空間中三種磷光體熒光發射的色度坐標；(h) 陽光下的PFTPCs光學圖像（從上至下：紅、黃、綠）。

圖3. 戶外冷卻測量與節能潛力。(a) 測試支架配置示意圖；(b) 現場測試裝置照片；(c) 中等相對濕度（32%，2025年1月6日）晴朗天氣下PFTPCs的溫度曲線；(d) 2025年1月6日PFTPCs相對于環境溫度的降溫；(e) 高相對濕度（57%，2024年4月13日）晴朗天氣下涂層樣品溫度（前綴“cc”表示商業競品）；(f) PFTPCs作為彩色冷卻屋頂或墻體涂層的應用示意圖；(g) PFTPCs作為屋頂涂層在中國主要城市的冷負荷和節能百分比；(h) PFTPCs作為屋頂涂層在中國各省的節能分布。

圖4. 耐久性、自清潔與性能對比。(a) PFTPCs在紫外光下的照片（上排），與商業彩色競品（下排）對比；(b) 紫外暴露測試中PFTPCs與商業競品的白度指數變化；(c) 紫外暴露測試中PFTPCs的FTIR光譜；(d) PFTPCs水接觸角的光學圖像；(e) 抗污測試照片；(f) PFTPCs的頂部表面形貌；(g) 機械磨損測試中水接觸角和滑動角變化；(h) 水沖擊測試中水接觸角和滑動角變化；(i) PFTPCs與商業競品的六維性能對比。

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研究結論

本研究提出了光子工程熒光三層聚合物涂層，通過Purcell增強熒光發射與優化光子結構相結合，解決了彩色輻射冷卻材料在冷卻效率、色彩鮮艷度和自清潔功能之間的協同難題。該三層結構由BaSO?納米顆粒（1.5 μm）太陽反射底層（~500 μm，體積分數75%）、Y?O?納米顆粒（1 μm）包裹磷光體的彩色熒光中間層（~20 μm）和硅烷改性SiO?納米顆粒（20 nm）超疏水頂層（~3 μm）組成。紅、黃、綠三色磷光體（Sr?Si?N?:Eu2?、Y?Al?O??:Ce3?、Lu?Al?O??:Ce3?）通過Y?O?納米顆粒形成的Purcell腔實現PLQY增強（紅~40%、黃~5%、綠~10%，紫外區域增強因子超12）。改進蒙特卡羅方法模擬與實驗擬合高度吻合，確認紅、黃、綠三色有效太陽反射率分別為94%、96.3%和96.1%（熒光貢獻分別為5.4%、1.8%和1.2%），所有顏色在大氣窗口（8-13 μm）的LWIR發射率均超過96%。戶外實測（香港，亞熱帶高濕度氣候）表明，在中等相對濕度（≈32%，700 W/m2）下紅、黃、綠分別實現5.4°C、7.2°C和5.9°C亞環境降溫；在高相對濕度（≈57%，≈850 W/m2）下比商業彩色涂料競品分別低4.3°C、3.7°C和5.1°C。建筑能耗模擬顯示，作為屋頂涂層在臺北市年節能量達18,808 kWh（≈67.7 GJ），節能率近30%；作為墻體涂層在香港年節能量達5,786 kWh（≈20.8 GJ），節能率約10%。涂層水接觸角達157°、滑動角0.5°，具有超疏水自清潔性能，能有效抵抗代表熱干、濕熱和溫和氣候的典型積塵。經120小時紫外照射后白度指數保持穩定（商業競品24小時內明顯白化），FTIR證實聚合物基質化學結構幾乎未變；經100次機械磨損循環后WCA保持150°以上，高速水沖擊測試后WCA保持150°以上。綜合六維評估（日間冷卻能力、可擴展性、成本效益、環保性、紫外耐受性、自清潔性能）確認PFTPCs全面優于商業競品，實驗室成本約6.7 $/m2，與商業聚合物涂層相當。該研究為高性能熒光輔助彩色輻射冷卻材料的理性設計提供了新途徑，在建筑節能和可持續發展方面具有重要應用前景。

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DOI: 10.1002/advs.202511599

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