Долговечное радиационное охлаждение против старения под воздействием окружающей среды

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4805 (2022) Цитировать эту статью

8395 Доступов

28 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Для борьбы с глобальным потеплением технология дневного радиационного охлаждения открывает многообещающий путь к достижению целей устойчивого развития. Для достижения субарктического дневного радиационного охлаждения важным условием является отражение большей части солнечного света. Однако желаемый высокий коэффициент отражения солнечной энергии легко ослабляется старением окружающей среды, в основном естественным загрязнением и ультрафиолетовым излучением солнечного света, вызывающим желтоватый цвет большинства полимеров, что делает охлаждение неэффективным. Мы демонстрируем простую стратегию использования наночастиц диоксида титана, устойчивых к ультрафиолету, образующих иерархическую пористую морфологию посредством сборки, управляемой испарением, что гарантирует сбалансированную защиту от загрязнения и высокое отражение солнечного света, создавая антивозрастные покрытия на основе охлаждающей краски. Мы протестировали охлаждающие покрытия в ускоренном тесте на погодные условия, смоделировав 3 года естественного загрязнения и 1 год естественного солнечного света, и обнаружили, что коэффициент отражения солнечного света снизился только на 0,4% и 0,5% по сравнению с несостаренными покрытиями. Кроме того, мы показываем более 6 месяцев старения в реальных условиях практически без ухудшения характеристик охлаждения. Наша антивозрастная охлаждающая краска масштабируема и может быть нанесена распылением на желаемую наружную архитектуру и контейнер, обеспечивая надежное радиационное охлаждение, перспективное для реального применения.

Наш мир идет наперекосяк в достижении цели Парижского соглашения по снижению температуры на 1,5 °C, поскольку глобальные выбросы парниковых газов (ПГ) все еще растут1. Если не будут приняты срочные меры по снижению выбросов парниковых газов, к концу этого столетия некоторые части мира станут практически непригодными для жизни людей2. В настоящее время >10% выбросов парниковых газов приходится на традиционное охлаждение помещений и охлаждение3. По мере того, как мир становится теплее, каждую секунду в мире устанавливается более 13 новых охлаждающих устройств, что приводит к увеличению выбросов парниковых газов и озоноразрушающих веществ, усугубляя глобальное потепление4. Для борьбы с этой разрушительной петлей обратной связи многообещающим путем является технология дневного радиационного охлаждения (SDRC). Это реализуется с помощью объекта, обращенного к небу, отражающего большую часть солнечного света (в пределах длины волны от 0,3 до 2,5 мкм) и сильно излучающего длинноволновое инфракрасное (LWIR) излучение в холодную Вселенную через окно прозрачности атмосферы (в пределах длины волны 8–13 мкм). 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Таким образом, объект может быть пассивно охлажден ниже температуры окружающей среды с нулевым потреблением энергии и выбросами парниковых газов.

В основе SDRC лежит высокий коэффициент отражения солнечной энергии (R̅solar ≥ 0,9), поскольку всего несколько процентов солнечного поглощения могут эффективно нагревать поверхность, даже если она имеет идеальный коэффициент излучения LWIR, т. е. \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (рис. 1а). Однако этот незаменимый высокий уровень солнечной энергии, скорее всего, упадет, что сделает эту технологию неэффективной после того, как материалы SDRC будут подвергаться воздействию внешней природной среды в течение всего нескольких месяцев, что, по сути, является результатом естественного старения окружающей среды22. Хотя способность SDRC в идеальных сценариях была продемонстрирована различными материалами, такими как тонкие нанофотонные пленки5, полимерно-диэлектрические композиты на основе металлических зеркал7, полимерный нанотекстиль19,23,24, наноцеллюлоза11 и пористые полимерные покрытия9,17,18, эти материалы были редко оценивается на предмет старения под воздействием окружающей среды, в основном естественного загрязнения и УФ-излучения солнечного света22. Среди них большинство полимеров для SDRC, даже если не учитывать эффект затемнения, вызванный естественным загрязнением, не устойчивы к длительному воздействию ультрафиолета, что приводит к желтоватому виду, что снижает R̅solar25. Хотя пористое покрытие на основе фторполимера для SDRC устойчиво к УФ-излучению9,26, его умеренная гидрофобная природа ограничивает эффективность защиты от загрязнения27. Таким образом, чтобы подтолкнуть SDRC к реальному применению с длительным сроком службы, помимо исключительных оптических свойств, крайне желательны отличная устойчивость к загрязнениям и ультрафиолетовому излучению, предпочтительная вместе с простотой изготовления и масштабируемостью в виде покрытий на основе краски.

0.931. However, we note that the energy proportion within UV region (wavelength of 0.28 to 0.4 µm) only accounts for 4.5% of the whole solar spectrum (Supplementary Fig. 1). Therefore, we can compensate the UV absorptance via suppressing the NIR absorptance by replacing polymer with air forming porous morphology. And we note that the refractive index of air (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) is lower than the one of common polymer binder (\({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) ≈ 1.5)32. According to the Snell's law, large refractive index difference between two different mediums leads to high magnitude of light refraction. Thus, TiO2 NPs in air should scatter light more strongly than they do in polymers. To further evaluate this optical property theoretically, we numerically calculated the scattering efficiency (Qsca) of a single spherical TiO2 particle as a function of particle diameter across the solar spectrum based on Mie theory (details in Methods). We compared the Qsca of TiO2 particle in surrounding medium of either air or polymer with preset refractive indices (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1 and \({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1.5). We found that, within the solar spectrum, a single TiO2 particle could scatter sunlight more strongly in air than in polymer (Fig. 1b). Empirically, the magnitude of R̅solar is equivalent to the total magnitude of TiO2 NPs scattering, which is determined by the number of air/particle interfaces the light passes through. Therefore, for coatings with equal thickness composed of TiO2 NPs with the same size, high packing density (ϕ) of NPs, which means large number of air/particle interfaces, should be able to satisfy the second requirement (R̅solar ≥ 0.9). However, we note that the crowding of TiO2 NPs gives rise to the dependent scattering leading to a reduction of scattering efficiency, in contrast to independent scattering wherein the distance among the scattering particles large enough to ignore the scattering effect brought by the presence of neighboring particles33. This phenomenon is evident for a thin coating composed of NPs with high packing density, corroborated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations (Fig. 1c). In practice, to compensate this adverse dependent scattering effect, we can fabricate thick coating composed of particles with broad size distribution to increase the total scattering power (Supplementary Fig. 5). Nevertheless, continual increasing the ϕ of TiO2 NPs might not render higher R̅solar as expected intuitively. In another word, we should be able to obtain high R̅solar with ϕ lying in the medium region, neither very low nor high./p> 150°, indicating good non-wettability. In regime III, the scenario is just the opposite. The high ϕ leads to strong light scattering, a short path length, thus shallow penetration, which turns the light around relatively quickly. The high f leads to θapp < 150° indicating modest hydrophobicity, not beneficial to anti-soiling purpose. Therefore, regime II is preferred to be the design target to balance the desired high R̅solar and θapp./p>300 µm9 (Supplementary Fig. 9). By using the step-wise heating method, we obtained the cooling power of 84.9 ± 14.8 W m−2 under strong solar irradiance (Isolar) of 920 W m−2 (Supplementary Fig. 13). And by using the close-tracking heating method, we obtained the cooling power of about 95 W m−2 under strong sunshine from 11 AM to 4 PM (Supplementary Fig. 14)./p> 1000 W m−2, Supplementary Figs. 17 and 18). To mimic real-world operating condition, all field tests were performed without wind shield cover. We recorded the temperature difference (ΔT) between the coating sample (Tsamp) and ambient air (Tair), where ΔT = Tsamp − Tair. The ΔT of white paint coating increased from 0.3 to 4.7 °C after soiling. Even the porous fluoropolymer coating, as the state-of-the-art SDRC material, cannot retain its cooling ability against this soiling test, due to the modest hydrophobicity (Supplementary Figs. 19 and 20). Meanwhile, the \(\triangle T\) of our AACP coating increased just from −3.8 to −3.5 °C, barely affecting the cooling performance. Additionally, we dripped viscous mud, as ultra-heavy soiling agent, onto the AACP coating to show its excellent ability to reduce the accretion of soiling substances (Fig. 3c, Supplementary Fig. 21, Supplementary Movie 1). The accelerated weathering test was performed by 1000 h of UV exposure at 60 °C (Fig. 3d), equivalent to 1 year of Florida natural sunshine39. Owing to the UV resistance of TiO2 NPs and strong C − F bonds in PFOTS, the R̅solar of AACP coating only declined by 0.5% of the original one (from 0.925 to 0.920). The \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp and θroll were almost unchanged. As a comparison, the R̅solar of white paint coating declined by 5.4% (from 0.856 to 0.810), the \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) declined by 2.3% (from 0.944 to 0.922) (Supplementary Fig. 23)./p> 1000 W m−2). Insets show the temperature measurement setup and visual appearance of the tin boxes. For AACP coated tin box, ΔT ≈ −5.2 °C (May 25th, 2021, Chengdu)./p>