CEJ | 超双疏界面增强无机涂层用于多环境耐受及零能耗建筑辐射冷却

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研究背景

建筑热舒适调节已占全球总电力消耗的约48%，造成巨大的能源开支与环境压力。被动辐射冷却技术通过自动反射太阳辐射并在大气窗口（8-13 μm）自主发射热辐射，实现零能耗、环境友好的建筑冷却。然而，实际应用中的污水、油污甚至灰尘往往不可逆地破坏辐射冷却材料表面的光学选择性，导致冷却性能丧失甚至产生相反的热积累。

现有超疏水表面设计可抵御水污染，但日常生活中更难以处理的油污污染却常被忽视。同时，聚合物基辐射冷却材料普遍存在耐老化性差的问题。开发全无机、兼具超疏水与超疏油（超双疏）特性的辐射冷却涂层，对于实现多环境耐受的持久冷却至关重要。

基于以上背景，本研究以ZnAl层状双金属氧化物微花为光学选择性基底，交联超双疏SiO₂纳米粒子，制备了全无机超双疏辐射冷却涂层。开放多孔的微纳结构赋予涂层优异的太阳反射率（~97.58%，以BaSO₄归一化）和热发射率（~98%），同时对水（接触角>158°，滑动角<5°）和油（接触角>151°，滑动角<10°）均表现出高效排斥性，为建筑物在复杂污染环境下的零能耗冷却提供了新路径。

相关工作以“Superamphiphobic interface-enhanced inorganic coating for multi-environments tolerant and zero-energy building radiative cooling”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（JCR一区，中科院一区TOP，IF=13.2）上。

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研究内容

本研究聚焦于解决被动辐射冷却涂层在实际应用中易受水、油、尘等多重污染导致光学性能失效的关键难题。研究团队通过原位生长法制备了ZnAl层状双氢氧化物微花，经650°C煅烧转化为具有开放多孔结构的ZnAl层状双氧化物微花。随后，利用TEOS和全氟癸基三氯硅烷在微花表面原位生长超双疏SiO₂纳米粒子并接枝低表面能C-F链，最后通过二甲基乙氧基硅烷交联获得超双疏辐射冷却涂层。

在微观结构方面，ZnAl LDO微花呈现出明显的花状开放多孔结构，粒径约2.5 μm，经超双疏修饰后，表面被大量SiO₂纳米粒子包覆，形成亚微米级起伏。通过机械摩擦进一步将表面粗糙度从1.1 μm提升至2.2 μm，使表面同时具备超疏水（接触角158°）和超疏油（接触角151°）特性，对水和大豆油的滑动角分别低于5°和10°，表面能低至4-5 mJ·m⁻²。

在光学性能方面，开放多孔结构和SiO₂纳米粒子包覆形成的多级孔隙有效增强了Mie散射，结合ZnO、Al₂O₃的高折射率（1.7-1.9），涂层归一化太阳反射率达97.58%，远超商业涂层的<90%。同时，Si-O-Si、Al-O、Zn-O及C-F键的强振动吸收赋予涂层高达98%的大气窗口发射率，显著优于商业涂层的~93%。户外实测表明，在>1400 W/m²太阳辐照度下，涂层实现约7°C亚环境降温，比商业涂层低约5°C；即使无聚乙烯膜覆盖，仍保持约3°C降温效果。

在环境耐受性方面，超双疏表面使涂层在油污染后仍能避免光学选择性受损（商业涂层被油污染后温度升高12.5°C）。涂层还具有优异的抗紫外老化能力（1400 W/m²紫外照射6天后性能无衰减）、耐高温（500°C以上分解）、自清洁（水滴携带粉尘滚落）及阻燃等特性。节能模拟表明，在炎热地区（如海口），该涂层全年可实现约26%的综合节能（同时考虑冷却与加热能耗）。

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研究数据

图1. (a) 外部污染导致建筑辐射冷却涂层光学性能损失的示意图；(b) 理想PRC涂层的光学选择性及表面污染引起的光学损失；(c) 太阳反射率降低导致的理想冷却功率下降；(d) 超双疏PRC涂层制备流程；(e) SAP-PRC涂层的超双疏光学照片。

图2. SEM图像：(a-b) LDH微花；(c-d) LDO微花；(e-f) SAP-PRC涂层；(g) SAP-PRC涂层的EDS元素分布；(h) FTIR光谱；(i) XRD图谱；(j) TG热重曲线；(k) XPS全谱；(l) C 1s谱；(m) Si 2p谱。

图3. (a) 超双疏表面结构示意图；(b-d) 表面粗糙度与接触角/滑动角测试结果（水接触角>158°，油接触角>151°）；(e) 基于不同液体的表面能计算；(f) 液滴在涂层表面的渗透稳定性；(g) 大液滴抵抗能力测试。

图4. (a) 表面微纳结构与化学键吸收引起的光学选择性机制；(b) SAP-PRC涂层的太阳反射率（以BaSO₄为参比）及归一化反射率；(c) 单无机颗粒的散射电场分布；(d) 全光谱及大气窗口平均红外发射率；(e-f) 不同寄生热系数下白天与夜间的理论冷却功率；(g) 户外冷却装置与气象监测设备；(h-i) 有PE覆盖时SAP-PRC涂层的冷却性能；(j-k) 无PE覆盖时的冷却性能。

图5. (a) 建筑隔热与散热路径及建筑陶瓷模型；(b) 不同天气条件下SAP-PRC涂层在自制建筑上的冷却能力；(c) 大豆油污染后建筑的冷却能力；(d) 覆盖SAP-PRC涂层后模拟能耗；(e) SAP-PRC涂层在中国不同城市的冷却效率分布。

图6. (a) 紫外辐射对SAP-PRC涂层太阳反射率和接触角的影响；(b-c) 高温和粉尘耐受性；(d) 大豆油污染后涂层的冷却能力；(e) 油污导致涂层光学选择性变化。

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研究结论

本研究在光学选择性设计原则的指导下，通过微纳表面工程策略成功制备了超双疏界面增强的全无机辐射冷却涂层。以具有开放多孔结构的ZnAl LDO微花为光学选择性基底，其高折射率（1.7-1.9）和全氧化物组分为优异的太阳反射与红外发射奠定了基础；进一步通过原位生长超双疏SiO₂纳米粒子并辅以机械摩擦增强表面粗糙度，使涂层对水（接触角>158°，滑动角<5°）和大豆油（接触角>151°，滑动角<10°）均表现出优异的排斥性，表面能低至4-5 mJ·m⁻²。微米级开放孔隙与SiO₂纳米粒子包覆形成的多级结构显著增强Mie散射，配合ZnO、Al₂O₃的高折射率，使涂层的归一化太阳反射率达到97.58%（商业涂层<90%）；同时Si-O-Si、Al-O、Zn-O及C-F键的强振动吸收赋予涂层高达98%的大气窗口发射率（商业涂层~93%）。户外实测表明，在>1400 W/m²太阳辐照度下，涂层实现约7°C亚环境降温，比商业涂层低约5°C。超双疏表面有效阻止水和油污对光学选择性的破坏：油污染后，SAP-PRC涂层仍保持亚环境冷却，而商业涂层温度升高12.5°C；油烟雾污染仅使涂层反射率下降0.3%（商业涂层下降5%）。此外，涂层还具有优异的抗紫外老化能力（1400 W/m²照射6天后性能无衰减）、耐高温性（500°C以上分解）、自清洁性及阻燃特性。节能模拟表明，在炎热地区（如海口），覆盖该涂层全年可实现约26%的综合节能（同时考虑冷却与加热能耗）；在西部干燥气候区冷却效率超过45%；即使在冬季需供暖的地区，全年节能效率仍保持在5%以上。本研究通过超双疏界面与全无机光学选择性结构的协同策略，有效提升了辐射冷却涂层在复杂污染环境中的耐受性，为零能耗建筑冷却提供了可行的技术路径。

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DOI：10.1016/j.cej.2023.146191

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