全球每年约有10%的电力消耗用于建筑物的空调系统，预计到2050年，这一需求将增长两倍。因此，亟需新技术创新来减轻电网压力并应对制冷系统的高高碳排放带来的全球变暖问题。辐射制冷材料可以利用其特殊微结构来反射超过90%的太阳辐射，能够最大限度的减少太阳辐射加热，并通过大气的透明窗口（8至13微米波长范围）将热量以长波红外光的形式辐射到寒冷的外太空（约270 ºC），从而达到建筑制冷的效果。除了建筑领域，这项技术还能惠及太阳能电池、发电厂冷凝器、个人热舒适性高性能纺织品、露水收集和减缓冰川融化等方面。当前，辐射制冷材料研究起初主要是基于多层无机薄膜的纳米光子结构。但这种结构生产技术复杂、成本高昂，尤其在建筑领域应用受限。因此，近些年，研究学者探索使用了有机聚合物等替代材料，如聚合物-金属复合薄膜、多孔聚合物涂层和泡沫、聚合物-陶瓷颗粒涂料等。然而，有机聚合物在复杂环境（如紫外线、热、水和环境化学物质等）条件下，会增加其太阳能吸收，从而降低其制冷效能，甚至可能导致材料被加热。此外，用于聚合物或无机辐射冷却结构的金属（如银和铝）可能受到空气中化学物质的氧化或硫化作用，进而降低其太阳反射率。建筑材料的要求使用寿命一般为30-50年，显然，环境稳定性是辐射制冷这一前景广阔技术的巨大障碍。尽管像二氧化硅、碳化硅和氧化铝这样的环境稳定的微米或纳米级陶瓷颗粒已被证明适用于辐射冷却，但由于缺乏合适的粘结剂，它们的机械强度较弱，不适宜用于建筑。此外，为了满足极端环境下的应用需求，如航空航天的热控制，被动辐射冷却材料需在不降低性能的前提下承受高达1000°C的温度。
马里兰大学胡良兵教授领导的研究团队，最近研制了一种新型辐射制冷涂层。这种涂层成功结合了低熔点玻璃骨架和氧化铝颗粒，展现了高效的太阳光反射能力、红外发射能力和环境稳定性。该复合材料的关键特性在于其玻璃骨架能够选择性地发射低温的红外光，同时保持了较高太阳光反射率。并且，氧化铝颗粒的加入不仅增强了阳光的散射效果，还有效抑制了材料制造过程中的结构致密化引起的太阳光反射率的下降。在户外实际实验中，这种涂层在高湿度环境下表现出显著的降温效果。例如，在空气湿度为80%RH条件下，它可以将白天和夜晚的环境温度分别降低3.5°C和4 °C。此外，即使在极端条件下，如水、紫外线辐射、污垢和高温影响下，这种涂层仍能保持高效的太阳光反射性能。值得注意的是，该涂层表面还可以添加超薄的透明玻璃防护层以增强其抗污性，或添加颜料制成彩色玻璃。这项研究成果以题为“A solution-processed radiative cooling glass”的研究论文发表在国际知名期刊《Science》。论文通讯作者为胡良兵教授，第一作者为赵新朋博士，共同一作为李堂源博士、谢华博士和刘鹤博士。
图：胡良兵研究团队及新型辐射制冷玻璃涂层
图1. 辐射制冷玻璃涂层的设计思路
为了提升新型涂层材料户外应用的稳定性，研究团队选用低熔点玻璃作为粘合材料，实现了与传统陶瓷烧制相比更低的加工温度与更快的制备速度。这主要是由于这类玻璃微粒的软化温度较低（约350°C），并且具有丰富的红外活性振动模式，这使得它们可以作为一种非传统的粘合剂，构建出坚固的多孔支撑骨架。该骨架通过Fröhlich共振现象，有效地增强了其在长波红外区域的选择性辐射能力，同时也能散射太阳光，从而实现材料的高太阳光反射率。此外，研究团队通过在材料中混合能够在太阳光谱范围产生米氏散射的氧化铝颗粒来进一步提高涂层的太阳光反射能力。不仅如此，氧化铝颗粒还可以作为抗烧结剂，能够有效避免复合材料中玻璃颗粒的过度致密化，有助于维持材料的多孔结构。
图2 辐射制冷玻璃涂层的制备与形貌结构特征
研究团队采用简便的两步法来制造辐射制冷玻璃涂层。首先混合微米尺寸的玻璃颗粒和氧化铝颗粒于乙醇中，经球磨形成适用于多种基底（砖、瓷、金属、玻璃等）的浆料。接着，涂层在约600ºC下烧结1分钟。烧结前，氧化铝颗粒均匀分布于玻璃颗粒间隙和表面，烧结后形成大型玻璃簇框架骨架，氧化铝颗粒直接附着或被包裹其中，增强结构稳定性。微孔结构的形成（孔隙率约50%，大部分孔径小于10微米）有助于散射太阳光，提高涂层太阳光反射率，增强辐射制冷效果。
图3. 辐射制冷玻璃陶瓷的光热性能以及模拟屋顶应用的二氧化碳减排量
研究团队优化了氧化铝颗粒含量对辐射制冷玻璃涂层的反射率的影响。研究发现，不加氧化铝颗粒时，热处理导致玻璃颗粒融合，形成透明涂层，孔隙大幅减少，太阳反射率较低。加入氧化铝颗粒后，涂层变得多孔，太阳反射率显著提升。当氧化铝颗粒的质量比达到50%时，其阻止了玻璃颗粒的完全融合，形成多孔结构，太阳反射率达约0.96。提高氧化铝比例至超过60%，太阳反射率可达约0.98。但这些涂层在结构强度、耐磨性和抗冲击性方面较弱，显示出氧化铝含量的最佳范围为40%至60%，以确保涂层稳定性和高反射率。研究团队对辐射制冷玻璃涂层在太阳光谱区和红外区的反射率和发射率进行了测试，显示出团队研制的新型涂层同时具备高太阳反射率（约0.96）和高发射率（约0.95）。在美国马里兰大学的亚热带湿润气候条件下的测试表明，涂层在白天和夜间具有优异的亚环境辐射冷却性能。此外，该涂层在冷却过程中减少二氧化碳排放的潜力显著，每年可为建筑节省显著成本。
图4 辐射制冷玻璃涂层的环境稳定性及色彩
研究团队还对辐射制冷玻璃涂层的环境稳定性进行了全面评估，以验证其长期应用的可行性。结果表明，涂层显示出高达4B级的良好粘附强度，并具有显著的高温稳定性，在10秒的1000°C的火焰冲击下能保持其结构稳定。此外，在水中浸泡60天和经过80天紫外线照射后，涂层的太阳反射率几乎未变，足以证明涂层中无机材料的环境稳定性。并且，涂层对雨滴撞击有强大的抵抗力，经过24小时的动态测试，涂层的太阳反射率和质量变化均小于1%。为增强其耐污性和环境稳定性，研究团队在玻璃陶瓷表面添加了一层薄而致密的透明保护层。这层透明保护层的致密结构使液态污染物易于从表面清除，提供了卓越的抗污功能。这些特性说明辐射制冷玻璃陶瓷涂层在长期应用中具有潜在的优越性能。此外，研究团队还展示了通过加入带有色涂料来制备彩色的辐射制冷玻璃涂层，已适应多样化产品需求。
本研究提出了一种不使用有机聚合物或反射型金属的新型辐射制冷玻璃涂层设计方法。这种设计有效结合了低熔点玻璃骨架的粘性、红外发射能力和氧化铝颗粒的太阳光散射能力，展现出卓越的辐射制冷性能，同时具备出色的机械强度和环境稳定性。该设计可兼容不类型的玻璃颗粒和多种介电颗粒，并可开发相关彩色产品。该设计工艺简单易行，适用于多种表面，如屋顶和墙壁。这种辐射制冷涂层的优异光学性能和环境稳定性，使其广泛适用于建筑、数据中心以及极端环境，如航空航天等多种领域。
胡良兵教授创立了初创公司CeraCool（https://cera.cool/），专注于将团队研发的辐射制冷技术商业化，旨在为建筑物和其他行业提供了更环保、高效的冷却解决方案。目前，CeraCool最新的产品可以在室温条件下大规模制造。
文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224
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