Nature Communications | 基于LCA辅助的层次化设计实现全生命周期CO₂减排的辐射冷却涂层

1

研究背景

实现碳中和目标需要在产品全生命周期内持续减少CO₂排放，涵盖原材料提取、加工、服役和废弃处置四个阶段。被动日间辐射冷却技术作为一种新兴的冷却技术，通过将热量以红外辐射形式散发至外太空，可有效降低建筑制冷能耗。然而，现有辐射冷却涂层主要关注服役阶段的节能效益，忽视了原材料提取阶段的高碳排放问题——传统填料（如TiO₂、BaSO₄等）的生产过程本身就会产生大量CO₂排放，占涂层全生命周期排放的60%以上。

针对上述问题，本研究创新性地建立了LCA驱动的材料设计框架，将生命周期评估方法与材料/工艺设计深度融合，从全生命周期视角重新审视辐射冷却涂层的碳减排潜力。研究团队通过CO₂矿物封存技术，利用盐湖提锂副产物镁盐和工业烟气CO₂，规模化制备了碳负性的SDS诱导水菱镁矿填料，并将其与耐候性优异的聚偏氟乙烯树脂复合，开发出兼具高光学性能与长服役寿命的辐射冷却涂层。

这一设计不仅解决了传统涂层原材料提取阶段的高碳排放问题，还通过提升光学性能和服役稳定性，进一步增强了服役阶段的碳减排效益，为开发真正意义上的碳负性功能材料提供了新范式。

相关工作以“An LCA-assisted hierarchical design of radiative cooling coating for full life-cycle CO₂ reduction”为题发表在《Nature Communications》（JCR一区，中科院一区TOP，IF=14.7）上。

2

研究内容

本研究聚焦于辐射冷却涂层全生命周期CO₂减排的协同调控机制。研究团队首先通过LCA分析揭示了传统商业白涂层（CWC）的碳排放结构：原材料提取阶段占全生命周期排放的89.81%，其中填料贡献高达59.90%。基于此，研究创新性地提出了全生命周期碳负性涂层设计策略。

在原材料提取阶段，研究开发了CO₂矿物封存技术制备碳负性S-HM填料。利用盐湖提锂副产物镁盐（MgCl₂·6H₂O）和工业烟气CO₂作为原料，通过添加十二烷基硫酸钠调控填料形貌与粒径，制备出具有花状/巢状球形微结构、D50为3.92 μm、孔隙率约55%的S-HM填料。该过程每生产1吨S-HM可封存0.420吨CO₂，并副产1.160吨高纯度NH₄Cl，实现原材料提取阶段的CO₂负排放（-0.817 tCO₂ eq/t）。

在加工与服役阶段，研究选择PVDF作为树脂基体，其强分子振动赋予高红外发射率（≥0.96），优异的成膜性与耐候性确保长期服役稳定性。S-HM填料体积分数70%、涂层厚度300 μm时，涂层太阳反射率达96.24%，红外发射率达0.978，远超商业反射冷却涂层的85.76%和0.958。户外实测表明，在北京地区（混合湿热气候）白天峰值时段平均降温5.80℃，最大降温8.75℃，冷却功率稳定在112.50 W/m²；在西安地区（混合干热气候）平均降温9.13℃，冷却功率达114.65 W/m²。

在服役耐久性方面，涂层表现出超疏水特性（接触角151.38°），可实现自清洁；经360小时60℃人工海水浸泡后，结合力仅下降1.8%（CRCC下降15.5%）；经5年等效加速老化后，太阳反射率仅从96.30%降至95.44%，接触角从151.50°降至150.36%，而CRCC则从85.70%降至81.26%。LCA分析表明，在全球19个气候区部署时，1吨S-HM基涂层相比CRCC可实现0.571~13.709吨CO₂当量减排，相当于每年种植32~762棵树。

3

研究数据

图1. 全生命周期碳负性PDRC涂层设计概念。(a) 商业白涂层（CWC）全生命周期CO₂排放，阶段I（原材料提取）占总排放89.81%，其中填料贡献高达59.90%；(b) CWC全生命周期CO₂排放随填料碳排放和服役寿命的变化；(c) CWC全生命周期CO₂排放随光学性能和服役寿命的变化；(d) S-HM基辐射冷却涂层全生命周期CO₂排放，各阶段均实现碳减排。

图2. S-HM基辐射冷却涂层的设计、制备与光学特性。(a) S-HM基涂层设计与工作机理；(b) S-HM填料制备流程示意图；(c) 不同粒径S-HM填料的太阳光谱平均散射效率；(d) S-HM基涂层浆料具有良好的流动性；(e) 50×45 cm铝基板上S-HM基涂层照片；(f) S-HM基涂层最优反射与发射光谱（R_solar=96.24%，ε_LWR=0.978）；(g,h) S-HM基涂层太阳反射率与红外发射率的广角依赖性。

图3. S-HM基辐射冷却涂层的亚环境冷却性能。(a,b) 北京户外测试装置示意图与实物图；(c) 环境温度、CRCC和S-HM基涂层温度数据及太阳辐照度与相对湿度（2023年7月15-16日）；(d) S-HM基涂层冷却功率及环境参数（2023年7月17日）；(e) 涂覆不同涂层的铁容器实物图；(f) 不同容器中心温度及环境参数；(g) 不同容器温度与环境温度差值；(h) 上午08:00与下午14:00三组容器的红外热成像。

图4. S-HM基辐射冷却涂层的服役耐久性。(a) S-HM基涂层与CRCC的自清洁能力对比；(b) 划格法附着力测试（ASTM D3359-2），两者均达到4B等级；(c) 60℃人工海水浸泡360小时前后表面形貌对比；(d) 浸泡前后结合力变化；(e) 5年等效加速老化前后太阳反射率与接触角变化；(f) 色差与光泽度保持情况。

图5. 全生命周期分析与全球潜力。(a) S-HM基涂层相比CRCC在各阶段的CO₂减排量（以北京4A热工区为例）；(b) 1吨S-HM基涂层全生命周期碳流图；(c) 1吨CRCC全生命周期碳流图；(d) 全球19个气候区部署1吨S-HM基涂层的CO₂减排潜力。

4

研究结论

本研究通过将生命周期评估与理性材料设计深度融合，成功开发了一种全生命周期碳负性的辐射冷却涂层，实现了从原材料提取到服役阶段的全链条CO₂减排。研究得出以下主要结论：

（1）LCA分析揭示了传统辐射冷却涂层的碳排放结构：原材料提取阶段占全生命周期排放的89.81%，其中填料贡献高达59.90%。这一发现为材料设计提供了明确导向——实现全生命周期碳减排必须从原材料阶段入手。

（2）通过CO₂矿物封存技术，利用盐湖提锂副产物镁盐和工业烟气CO₂，成功制备了碳负性S-HM填料（-0.817 tCO₂ eq/t）。该过程每生产1吨S-HM可封存0.420吨CO₂，并副产1.160吨高纯度NH₄Cl，为填料生产提供了可持续路径。

（3）S-HM填料经SDS诱导形成花状/巢状球形微结构（D50=3.92 μm，孔隙率~55%），与PVDF树脂复合后，涂层太阳反射率达96.24%，红外发射率达0.978，显著优于商业反射冷却涂层（85.76%，0.958）。户外实测表明，在混合湿热与混合干热气候区均实现稳定亚环境冷却（降温5.80-9.13℃，冷却功率112.50-114.65 W/m²）。

（4）S-HM/PVDF涂层表现出优异的服役耐久性：超疏水特性（151.38°）赋予自清洁能力；经360小时60℃人工海水浸泡后，结合力仅下降1.8%（CRCC下降15.5%）；5年等效加速老化后，太阳反射率保持95.44%（CRCC降至81.26%），为长期服役碳减排提供了保障。

（5）LCA分析表明，在全球19个气候区部署时，1吨S-HM基涂层相比CRCC可实现0.571~13.709吨CO₂当量减排，相当于每年种植32~762棵树。经济成本分析显示，该涂层生产成本约1202美元/吨，具有市场竞争力。

本研究实现了LCA方法、材料设计与CO₂减排技术的深度融合，为开发全生命周期碳负性功能材料提供了新范式，在建筑节能、热管理和可持续材料领域展现出重要应用前景。

DOI：10.1038/s41467-026-69560-4

声明：仅代表作者个人观点，如有不科学之处请在下方留言指正！！！