来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202506405

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背景介绍

全球变暖导致对冷却解决方案的需求不断增加，但传统的冷却技术消耗更多电力并增加碳排放。辐射冷却作为一种有前景的替代方案出现，提供了无需电力消耗的可持续冷却。在过去十年中，各种材料设计已经展示了辐射冷却性能。特别是，基于氟聚合物的辐射冷却涂料因其易于应用和可扩展性而成为实用的解决方案。然而，其成本约为传统丙烯酸涂料的5倍。

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成果掠影

近日，哥伦比亚大学杨远、程麒龙团队提出一种低成本双层辐射制冷涂料设计方法。顶部的多孔P（VDF-HFP）层足够有效地反射太阳光谱中的紫外线和蓝光，并增强太阳稳定性，同时将材料使用量减少约70%，而底部的商业丙烯酸乳液涂料（ALP）反射剩余的太阳光谱。这种双层涂料协同表现出相对较高的太阳反射率、适中的材料成本（≈每平方米1.3美元）和优异的紫外线耐久性（相当于11年）。这种创新设计在光学性能和经济效率之间取得了平衡，为大规模实施辐射冷却解决方案提供了新的可能。研究成果以“Cost-Effective Bilayer Radiative Cooling Paint via a Porous P(VDF-HFP) Top Layer”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1.作为辐射冷却涂层的典型聚合物涂料包括三个案例，比较了光学性能、成本和性能。所提出的双层涂料展示了相对较高的冷却性能，适中的材料成本和优异的紫外线耐久性。 

图2. 双层聚合物涂料的工作原理。a) 示意图说明了所提出的双层涂料与太阳能和热辐射之间的相互作用。b) 模拟了单一P(VDF-HFP)层在不同厚度下的反射率，表明其反射能力从紫外线到近红外波长逐渐降低。c) SEM图像显示了双层涂料在cinefoil基底上的横截面。d) 商业ALP和双层涂料的反射光谱，突出显示了紫外线波长和整个太阳光谱范围内的增强。e) 商业ALP和双层涂料的发射光谱，并绘制了大气透射窗口作为参考。f) ALP基底和双层涂料的水接触角。双层涂料由于顶部的P(VDF-HFP)层保持了疏水表面。g) 展示了双层涂料应用于各种基材，如乙烯基、金属、木材和混凝土。h) 不同基材上双层涂料的反射光谱，从cinefoil上的0.89到铝上的0.95不等。。

图3.通过孔隙优化反射率。a) 双层涂料形态的SEM图像，P(VDF-HFP):丙酮:水的重量比分别为(a1) 1:8:0.10, (a2) 1:8:0.33, (a3) 1:8:0.65, 和 (a4) 1:8:1.00。b) 不同顶部层配方的多孔P(VDF-HFP)双层涂料的反射光谱，顶部层厚度固定在约38微米。c) 相应的紫外线反射率和太阳反射率随不同水含量的变化。d) 空气孔隙在P(VDF-HFP)基质内的独立散射效率作为孔径的函数。e) COMSOL反射率模拟的三种配置。一种只包含纳米孔，另一种只包含微孔，而第三种同时包含纳米和微孔。f) 与ALP基底相比的反射率模拟结果。更广泛的孔径分布增强了整个太阳光谱范围内的反射率。

图4.通过厚度和紫外线降解优化反射率。a) 双层涂料的反射率和发射光谱随P(VDF-HFP)顶部层厚度的变化。b) 相应的太阳反射率和热发射率作为P(VDF-HFP)层厚度的函数。c) ALP和P(VDF-HFP)在紫外线老化前/后的SEM图像，显示没有明显的形态变化。d) 双层涂料的太阳反射率是紫外线暴露时间的函数。864小时的紫外线剂量相当于佛罗里达州一年的紫外线暴露，相当于约275兆焦耳每平方米。e) 从紫外线老化结果外推的双层涂料的估计太阳反射率随年份的变化。

图5.整个使用寿命期间的节能。a) 商业ALP和双层涂料的使用寿命，以太阳反射率降解的阈值为0.9。b) 以凤凰城为例，材料成本和使用寿命期间的总公用事业节省。c,d) (c) 商业ALP和(d) 双层涂料的回收比率，突出了双层设计的成本效益。回收比率定义为整个使用寿命期间的总公用事业节省除以材料成本。