文献前沿丨Chemical Engineering Journal：具备双波段发射特性的二氧化硅基全无机日间辐射制冷涂层

随着全球变暖、城市热岛效应加剧以及建筑冷却需求不断增长，被动日间辐射制冷（passive daytime radiative cooling，PDRC）因其无需外部能量输入、能够通过太阳反射和红外辐射实现降温而受到广泛关注。然而，现有高性能辐射制冷涂层多依赖有机聚合物基体或复杂纳米结构，长期户外使用中容易受到紫外老化、黄变、机械磨损和热降解影响。针对这一问题，本文提出了一种基于碱性硅溶胶、球形无定形SiO₂（spherical amorphous SiO2，SA-SiO₂）和α-SiO₂的全无机辐射制冷MS涂层。该涂层通过颗粒堆积策略调控光学散射与力学骨架：球形SiO₂提供强米氏散射以提高太阳反射，α-SiO₂作为刚性填料填充空隙并增强结构互锁，硅溶胶在干燥固化过程中通过Si–O–Si键形成连续无机网络。优化后的1:3:1配方实现92.2%的太阳反射率，在第一大气窗口（8–13μm）和第二大气窗口（16–25μm）均具有超过90%的中红外发射能力，并达到8H铅笔硬度。室外模型房测试表明，该涂层可在夏季使室内温度相较商业白涂层降低约4–6℃。在约1300℃火焰攻击下，涂层可原位陶瓷化形成致密保护层，使4mm木板超过480s不被烧穿。该研究实现了辐射制冷、全无机环保、防火安全和耐久涂层工艺的结合，为下一代绿色建筑围护材料提供了新的设计思路。相关工作以SiO₂-based all-inorganic daytime radiative cooling coating with dual-window emission为题发表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文围绕建筑辐射制冷涂层的全无机化、耐火与耐候需求，制备了SiO₂基MS双窗口日间辐射制冷涂层。通过调控硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂比例，确定1:3:1配方兼具92.2%太阳反射率、8–13μm和16–25μm双窗口高发射率及8H硬度（图1）。SEM、EDS、XPS、FTIR和XRD表明涂层形成致密颗粒堆积、均匀Si–O无机网络及“晶体-非晶”复合结构（图2），其成膜依赖硅溶胶脱水缩合生成Si–O–Si键（图3）。室外模型房测试验证其夏冬均可降低屋面和室内温度（图4）。TG/DSC、火焰和隔热测试证明其可陶瓷化并保护基底超过480s（图5）。MS涂层稳定性测试和EnergyPlus模拟进一步显示其具备长期稳定性和建筑节能潜力（图6-7）。

图1.MS涂层不同组分质量比下的光学与硬度性能：（A）不同硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂质量比下的平均反射率、第一大气窗口平均发射率和第二大气窗口平均发射率；（B）不同组分质量比MS涂层的铅笔硬度；（C）不同组分质量比MS涂层的太阳反射光谱和中红外发射光谱。

图2.MS涂层结构与成分表征：（A）MS涂层SEM图像；（B-C）MS涂层中O、Na、Si和Al的EDS元素分布；（D）MS涂层XPS谱图；（E）球形SiO₂颗粒粒径分布；（F）MS涂层、硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂的FTIR光谱；（G）MS涂层、硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂的XRD图谱。

图3.MS涂层成膜过程示意图：（A）由SA-SiO₂、α-SiO₂和硅溶胶组成的湿膜沉积在基底表面；（B）水分蒸发后各组分在干燥复合涂层中的微观堆积形貌；（C）硅溶胶黏结剂附着在SA-SiO₂和α-SiO₂表面；（D）硅粉体表面羟基与硅溶胶纳米颗粒表面羟基脱水缩合形成稳定-O-Si-O-连接；（E）硅溶胶纳米颗粒之间通过表面羟基脱水反应形成-O-Si-O-化学键。

图4.MS涂层室外冷却测试：（A）室外测试自然环境实物图；（B）模型房测试结构示意图；（C）夏季太阳辐射功率曲线；（D）夏季湿度与风速；（E）夏季模型房表面实时温度与环境温度；（F）夏季模型房内部实时温度与环境温度；（G）冬季太阳辐射功率曲线；（H）冬季湿度与风速；（I）冬季模型房表面实时温度与环境温度；（J）冬季模型房内部实时温度与环境温度。

图5.MS涂层热稳定与防火性能：（A）MS涂层热重分析曲线；（B）MS涂层差示扫描量热曲线；（C-D）商业涂层木板和MS涂层木板在丁烷火焰中的燃烧过程照片；（E）恒温加热阶段基底、MS涂层和商业涂层的红外热图；（F）对应表面温度变化；（G）热绝缘性能测试装置；（H）测试后商业涂层和MS涂层样品照片；（I）对应样品背面温度曲线。

图6.MS涂层稳定性测试：（A）经不同稳定性测试后MS涂层的平均反射率、第一大气窗口平均发射率和第二大气窗口平均发射率；（B）不同稳定性测试后MS涂层的铅笔硬度；（C）不同处理条件下MS涂层的太阳反射光谱和中红外发射光谱。

图7.EnergyPlus建筑节能模拟：（A）不同城市制冷负荷及节能率；（B）采暖负荷及节能率；（C）全年总负荷及节能率；（D）模拟建筑模型。

小结：本研究通过室温简易混合策略，利用碱性硅溶胶、球形无定形SiO₂（SA-SiO₂）和α-SiO₂成功制备了一种坚固、全无机且具备本征防火安全性的被动辐射制冷涂层。通过优化三元颗粒堆积，质量比为1:3:1的MS涂层在高光学效率和优异机械完整性之间实现协同平衡，其太阳反射率达到92.2%，中红外发射率超过90%，铅笔硬度达到8H。连续室外测试验证了该涂层在不同季节下的优异冷却能力：在炎热夏季条件下，MS涂层能够稳定实现亚环境降温，相较商业白涂层使模型房内部空气温度降低约4–6℃；即使在冬季，该涂层仍保持较强辐射排热能力，说明其光谱选择性具有良好环境稳定性。与已有无机辐射制冷涂层相比，该MS涂层同时具备较高光学效率、极高机械硬度、本征防火安全和室温可规模化制备优势。更重要的是，该工作解决了辐射制冷材料中能效与防火安全之间的矛盾：与有机基制冷涂层不同，该全无机体系具有零烟雾和零VOCs释放特征，并且本身不可燃。在约1300℃极端火焰攻击下，涂层发生原位陶瓷化，形成致密隔热壳层，使4mm厚木质基底超过480s未被烧穿。此外，MS涂层依靠稳定的无机硅氧网络表现出良好的耐紫外、耐水浸和耐高温热冲击能力。EnergyPlus建筑模拟进一步证明其在热湿气候区具有实际节能价值，尤其在长三角、珠三角等人口密集和制冷需求较高区域，年制冷节能率可超过10%。综合来看，该研究将高效辐射制冷、本征防火、机械耐久和区域建筑节能潜力集成于一种可规模化涂层体系中，为下一代绿色建筑提供了一种具有实际应用前景的可持续材料方案。

论文信息：Xi Kang, Huimin Wu, Huiquan Ju, Fajun Wang, Junfei Ou, Aumber Abbas, SiO₂-based all-inorganic daytime radiative cooling coating with dual-window emission. Chemical Engineering Journal, 2026, 543: 178454.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn