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    中科院化學所趙寧研究員/徐堅研究員課題組:基于光熱協同效應的仿生日間輻射降溫皮膚
    2020-05-26  來源:高分子科技

      面對極端氣候和全球變暖的挑戰,“道法自然”,順應自然規律的熱管理可以最大限度地減少對能源和環境的消耗,是可持續發展的重要途徑。其中,日間被動降溫 (Passive daytime radiative cooling,PDRC) 可以在高效反射太陽光的基礎上,僅通過材料在中紅外大氣窗口(8-13 μm)凈輻射熱輸出實現低于室溫的降溫效果。盡管在韌性、可加工性和規模制備方面出現新突破,目前PDRC材料仍面臨適用環境嚴苛、冷卻性能不足和不易于實施等挑戰。特別是強日照、高濕度、低可見度或建筑物密集等條件下,中紅外大氣窗口透過率較低,PDRC效果將大打折扣。


      為提高PDRC材料的降溫效果并拓展其應用范圍,中國科學院化學研究所趙寧研究員/徐堅研究員課題組與意大利佛羅倫薩大學Lorenzo Pattelli教授合作,基于北極熊保溫皮毛的光熱協同效應,提出一種可復用的雙層柔性PDRC器件設計方案(圖1a)。將高度散射的聚乙烯(PE)納米片氣凝膠層和商業化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行復合,從而獲得可在多種基材上即貼即用的柔性降溫“皮膚”。其中,熱致相分離所得PE氣凝膠兼具日光反射、中紅外透過與保溫特性,PDMS膜則作為中紅外發射體直接提供輻射降溫功能。


    圖1. 基于高度散射氣凝膠的仿生雙層膜路線。北極熊保溫皮毛和仿生降溫皮膚的光熱模型(a);柔性PE氣凝膠形貌特征(b);不同波長處平均散射截面及平均各向異性因子和孔徑的對應關系(c);氣凝膠光譜特征及光熱性質(d)


      通過優化其孔徑分布,孔隙率高達97.9%的PE氣凝膠在2.7 mm厚度時具備較高日光反射率(0.96)和中紅外發射率(0.8),顯著優于用于輻射降溫的同類材料。除了極低的PE填充率外,經模擬計算,氣凝膠中精細調控所得的3.8±1.4 μm孔徑也有助于通過促進前向散射來增強中紅外傳輸。最后,由于氣凝膠提供的絕熱作用(熱導率低至32 mW m-1 K-1),PE/PDMS雙層膜的PDRC效率得到了進一步提高。結果表明,在太陽輻照度高于1000 W m–2的中濕度市區中,該雙層膜的亞環境溫降達5-6 °C;在輻照度高于800 W m–2 的干燥郊區中,盡管有輕度揚塵,該雙層膜的亞環境溫降可至6-7 °C;而在理想的使用條件下,計算得出的溫降極限值為14 °C,持平或優于文獻報道值。


    圖2. PE/PDMS雙層膜降溫效果。不同基底材料上的降溫效果(b);強日照、中濕度城市環境中的亞環境溫降(d);中日照、低濕度、輕微揚塵的郊區環境中的亞環境溫降(f)


    圖3. 輻射機制與非輻射機制的協同效應。不同壓縮程度氣凝膠的日光反射率、中紅外透過率、熱阻變化,及其對溫降的影響(a);與不同熱阻的氣凝膠粘接所得雙層膜的日間及夜間降溫功率及溫降(b)


      利用PE氣凝膠的高日光反射率及其光熱協同效應,普適的仿生雙層路線有希望拓展PDRC材料的豐富性,并提高其在多種氣象條件下的降溫效果。特別地,將這種中紅外透明的氣凝膠反射層用于PDRC,所實現的功能分區允許PDRC器件在中紅外發射體選擇和功能組合方面更加靈活。例如,受益于PE氣凝膠的自清潔特質和PDMS與基體間的適度粘附力,該雙層降溫材料的長期使用性能和可重復使用性(降低冬季的能源成本)得以增強,這在實際應用中至關重要。相關研究成果Bioinspired “Skin” with Cooperative Thermo-Optical Effect for Daytime Radiative Cooling發表于ACS Applied Materials & Interfaces。


      論文鏈接:https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c03897

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