浙江
随着全球气候变暖加剧，制冷需求不断攀升，传统空调系统所带来的高能耗和温室气体排放问题日益突出。被动日间辐射冷却（PDRC）技术虽可通过辐射热量到太空实现零能耗降温，但现有PDRC材料多局限于白色或银色，视觉单调且易造成光污染，极大限制了其在建筑一体化中的应用。尽管彩色辐射冷却（CRC）材料在一定程度上改善了美观性，但仍普遍存在阳光吸收率高、冷却效率低以及户外耐久性不足等问题。
香港城市大学戴建国讲座教授与雷党愿教授团队近日在《Advanced Science》上发表了一项创新研究，开发出一种新型光子工程化的荧光三层聚合物涂层（PFTPC，图1a），实现超100%荧光段反射率，为荧光辅助的高效彩色辐射冷却材料设计提供了新思路。该团队设计的PFTPC采用三层功能结构：高反射BaSO₄底层有效反射太阳光，中间荧光层利用稀土掺杂荧光粉（红、黄、绿三色）并通过周围Y₂O₃纳米颗粒产生的Purcell效应增强荧光发射 (图2c-e)，将吸收的紫外-可见光转化为更长波段的荧光，从而显著减少热量的产生；最外层则采用超疏水SiO₂纳米涂层，提供自清洁能力且不影响光学性能。
图1 光子工程荧光三层聚合物涂层（PFTPCs）的设计与建模。a. PFTPCs的结构与工作机制。b. 利用包围荧光粉的Y₂O₃纳米颗粒模拟珀塞尔腔的示意图。c. 三种荧光粉的激发和发射光谱。d.所提出的荧光彩色辐射冷却涂层的理想反射率光谱示意图。e. 红色、f. 黄色和g. 绿色荧光涂层的冷却功率随荧光粉体积分数和PLQY的增加而变化。
结合改进的蒙特卡洛模拟方法，研究人员优化了涂层结构，使三种颜色涂层在保持较高色彩饱和度的同时，最终实现了94%–96.3%的有效太阳反射率，并在大气窗口内具备超过96%的红外发射率(图2f)。
图2 PFTPCs的结构、光谱和颜色表征。a. 荧光三层聚合物涂层结构的横截面形态。b. 嵌入涂层中被Y₂O₃纳米颗粒包围的三种荧光粉的形态。c. 红色、d. 黄色和e. 绿色荧光粉嵌入含与不含Y₂O₃纳米颗粒的涂层中的PLQY。f. 通过传统紫外-可见-近红外光谱测试和MMC模拟获得的PFTPCs的太阳反射率和红外发射率光谱。g. 三种荧光粉的荧光发射在1931 CIE色度图中的色度。h. 阳光下PFTPCs的光学图像。
户外实验显示，该涂层可在实际天气条件下实现低于环境温度5.4–7.2℃的冷却效果 (图3c)，明显优于市售彩色涂层。同时，PFTPC还表现出优异的抗紫外线、耐磨、耐雨水冲击和超疏水防污等综合耐久性(图4)。通过建筑能耗模拟表明，将其应用于屋顶或外墙，在中国不同气候区最高可实现年节能约18,808 kWh，具备显著的实际节能潜力。
图3 户外冷却测量与节能潜力。a. 测试盒结构示意图。b. 现场测试装置照片。c. 在相对湿度为32%的晴天PFTPCs的温度。d. PFTPCs相对于环境温度的温降。e. 在高相对湿度为57%的晴天涂层样品的温度。f. PFTPCs用作彩色冷却屋顶或外墙涂层的示意图。g. PFTPCs作为屋顶涂层在中国主要城市的冷负荷和节能百分比。h. PFTPCs作为屋顶涂层在中国不同省份的节能效果映射图。
图4 耐久性、自清洁和性能比较。a. PFTPCs在紫外光下的照片，与商业彩色对应涂层对比。b. 在紫外暴露测试中，PFTPCs与商业对应涂层的白度指数变化。c. 紫外暴露测试期间PFTPCs的FTIR光谱。d. PFTPC的水接触角光学图像。e. 防污测试照片。f) PFTPCs的顶表面形态。g. 机械磨损测试期间水接触角和滑动角的变化。h. 水流冲击测试期间水接触角和滑动角的变化。i. PFTPC与商业涂层对应物在六个维度的性能比较。
综上所述，该项研究不仅揭示了荧光机制在提升辐射冷却性能和增强色彩中的重要作用，也为开发兼具美观、高效与实用性的绿色建筑涂层材料提供了新的设计，对城市热缓解与可持续发展具有重要意义。
https://doi.org/10.1002/advs.202511599
来源：高分子科学前沿
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