3D多孔辐射制冷薄膜 可使冰融化速率降低4倍

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4月25日，科技日报记者从中国科学院兰州化学物理研究所获悉，该所清洁能源化学与材料实验室低碳能源材料组高祥虎研究员团队，通过热诱导相分离技术制备了一种具有3D多孔结构的介电/聚合物复合薄膜材料，实现了优异的辐射制冷效果。
在全球气候变暖和国家“双碳”目标背景下，研发清洁能源材料与节能降碳技术具有极为重要的战略意义。传统降温方法（如空调系统等）能源消耗大，导致温室气体排放显著提升，严重阻碍“双碳”目标的实现。辐射制冷是一种零能耗、零污染的制冷技术，该技术利用宽光谱选择性精准调控，通过有针对性地优化光学结构以满足多场景制冷需求，可实现可持续无源制冷目标。
近几年，越来越多的科研人员提出了辐射制冷的概念。辐射制冷的基本原理是：在密闭区域内，通过覆盖具有增强效应的光谱选择性材料，将该区域的热量以热辐射的形式释放到低温的外层宇宙空间，以达到自身降温的目的。因此辐射制冷材料就是将热辐射波长调制到大气窗口波段的光学材料。
“实现辐射制冷的关键点在于光学材料在可见光近红外波段（0.3—2.5毫米）有更高的反射率和在中红外大气窗口（8—13毫米）附近的波段有更高的发射率。”高祥虎说，就工作原理而言，辐射制冷与太阳能吸收完全相反。辐射制冷要求材料在太阳辐射波段具有较高的反射率，以及在大气窗口波段有较高的发射率。而太阳能吸收则要求材料在太阳辐射波段具有高吸收低反射特性。在研制过程中，就材料选择而言无法借鉴以往的经验。高祥虎表示，材料体系的选择是他们遇到的最大问题。
高祥虎介绍，他们研制的具有3D多孔结构的介电/聚合物复合薄膜材料内部具有随机分散的氧化铝粒子和分层无序的微纳孔隙，合理的层次结构和功能成分使其太阳辐射波段反射率为98.26%，大气窗口波段发射率为97.56%，有效提高了材料的光谱性能。在夏季日间太阳直射下，该材料可达到低于环境温度9.1℃的降温效果和87.2瓦/平方米的冷却功率。
此外，该材料在防冰融化的测试中展现出优异的降温效果。在760瓦/平方米的太阳辐照度下照射2个小时，用该材料遮盖的冰块状态没有明显变化，与自然状态相比，该方法能使冰融化速率降低4倍。同时，该材料还具有优异的机械性能和自清洁性能。经过30多天的紫外线照射，该材料仍保持优异的光学性能。
“我们课题组目前正在开发一类性能优异、环境友好、成本低廉且可大面积生产的辐射制冷薄膜材料，以促进该类材料在实际生活中的广泛应用。”高祥虎介绍，就目前而言，这类复合薄膜材料可用于冰川保护、大型石油储存罐、大型电力设备、火力发电、建筑物制冷、光伏发电等诸多领域。