香港城市大学(城大)的研究人员宣布在开发被动辐射冷却(PRC)材料方面取得重大突破。研究结果发表在《科学》杂志上，题为“具有高太阳反射率的分层结构被动辐射冷却陶瓷”。
这种被称为冷却陶瓷的材料已实现了高性能光学特性，可实现无能源、无制冷剂的冷却发电。其成本效益、耐用性和多功能性使其非常适合在众多应用中商业化，特别是在建筑施工中。
通过降低建筑物的热负荷并提供稳定的冷却性能，即使在所有气候的不同天气条件下，冷却陶瓷也可以提高能源效率并对抗全球变暖。
据香港大学能源与环境学院副教授曹志恩教授介绍，PRC被认为是最有前途的绿色制冷技术之一，可抑制空间制冷需求的飙升、减少环境污染和应对全球变暖。城市大学，该论文的通讯作者之一。
然而，目前使用纳米光子结构的PRC因其高成本和与现有最终用途的兼容性差而受到限制，而聚合物光子替代品缺乏耐候性和有效的太阳反射。
增强的光学性能和适用性
“但我们的冷却陶瓷实现了先进的光学特性并具有强大的适用性，”曹教授说。“颜色、耐候性、机械坚固性和抑制莱顿弗罗斯特效应(一种阻止热传递并使热表面上的液体冷却无效的现象)的能力是确保冷却陶瓷耐用和多功能的关键特征。”
冷却陶瓷的非凡独特之处在于其作为块状陶瓷材料的分级多孔结构，可以使用氧化铝等易于获得的无机材料，通过涉及相转化和烧结的简单两步工艺轻松制造。不需要精密的设备或昂贵的材料，使得可扩展的冷却陶瓷制造高度可行。
光学特性决定了PRC材料在两个波长范围内的冷却性能：太阳光范围(0.25–2.5µm)和中红外范围(8–13µm)。高效冷却需要前一个范围内的高反射率，以最大限度地减少太阳得热，并要求后一个范围内的高发射率，以最大限度地提高辐射散热。由于氧化铝的高带隙，冷却陶瓷可将太阳能吸收保持在最低限度。
这种仿生高太阳反射率陶瓷模仿了Cyphochilus甲虫的生物白度。图片来源：香港城市大学
不仅如此，通过模仿Cyphochilus甲虫的生物白度并优化基于米氏散射的多孔结构，冷却陶瓷可以有效地散射几乎所有太阳光波长，从而实现近乎理想的99.6%的太阳光反射率(创历史新高)太阳反射率)并实现了96.5%的高中红外热发射。这些先进的光学特性超越了当前最先进的材料。
“冷却陶瓷由氧化铝制成，可提供所需的抗紫外线降解性能，这是大多数基于聚合物的PRC设计的典型问题。它还具有出色的耐火性，可承受超过1,000°C的温度，这超出了大多数聚合物的能力。聚合物基或金属基PRC材料”，Tso教授说。
出色的耐候性
除了卓越的光学性能外，冷却陶瓷还具有出色的耐候性、化学稳定性和机械强度，使其成为长期户外应用的理想选择。
在极高的温度下，冷却陶瓷表现出超亲水性，使液滴能够立即扩散，并由于其互连的多孔结构而促进液滴的快速浸渍。这种超亲水特性可以抑制传统建筑围护结构材料中常见的阻碍蒸发的莱顿弗罗斯特效应，并实现高效的蒸发冷却。
莱顿弗罗斯特效应是当液体与明显比其沸点热的表面接触时发生的现象。液体不会立即沸腾，而是形成蒸汽层，使其不与表面直接接触。该蒸汽层降低了热传递速率，并使热表面上的液体冷却无效，导致液体悬浮并在表面上打滑。
曹教授表示：“冷却陶瓷的美妙之处在于，它既满足高性能PRC的要求，又满足现实生活中的应用。”他补充说，冷却陶瓷可以采用双层设计进行着色，满足美观要求以及。
“我们的实验发现，将冷却陶瓷应用在房屋屋顶上，可以实现超过20%的空间冷却用电，这证实了冷却陶瓷在减少人们对传统主动冷却策略的依赖方面的巨大潜力，并为避免电网供电提供了可持续的解决方案超载、温室气体排放和城市热岛，”左教授说。
曹教授表示，基于这些发现，研究团队打算进一步推进被动热管理策略。他们的目标是探索这些战略的应用，以提高能源效率，促进可持续性，并提高中国技术在纺织、能源系统和交通等各个领域的可及性和适用性。
另一位通讯作者为城大机械工程学系兼任教授及香港理工大学协理副校长(研究及创新)王钻凯教授。第一作者林开心和第二作者陈思如均为博士。城市大学能源与环境学院曹教授指导的学生。
