一種具有高光譜選擇性的無機輻射制冷薄膜

    輻射制冷是一種具有巨大應用潛力和應用前景的無碳制冷技術。它通過發射8-13微米的熱輻射將地表熱量導向太空，同時反射絕大部分的太陽輻射，可使物體即使在正午太陽光照下，也能達到低于空氣的表面溫度。然而現階段的輻射制冷薄膜，在遠紅外波段的光譜選擇性較差，這限制了它們的降溫性能，這種降溫抑制在高濕度地區尤其明顯。

    近期，香港科技大學黃寶陵教授團隊在國際權威期刊《Advanced Materials》上報道了一種由溶液法制備的，具有高光譜選擇性的無機輻射制冷薄膜。此薄膜由一層反射膜，一層氮氧化硅膜和一層自排列二氧化硅微球組成，結構上比此前報導的由光子多層膜體系制作的無機輻射制冷薄膜更為簡單。該薄膜不但具有94.6%的大氣窗口（8-13微米）發射率，且遠紅外光譜選擇性達到1.46，突破了此前無法同時實現高發射率和高選擇性的限制。配合96.4%的太陽反射率，該薄膜在香港的高濕度環境以及沒有任何對流和輻射屏蔽情況下，獲得了高達5度的秋季正午降溫和高達2.5度的夏季正午降溫。此外，得益于薄膜自身的無機組份和疏水表面，在長時間持久測試中，該薄膜展現了優異的戶外環境抗性和自清潔功能，十分適合于高溫高濕地區使用。本文第一作者為香港科技大學博士后研究員林崇佳，共同一作為香港科技大學李洋博士。

    【研究亮點】

    1.相對于以往工藝復雜昂貴的超材料無機選擇性薄膜，本工作中的無機輻射制冷薄膜結構簡單，僅包含三層功能層，制冷性能更加優秀，且可通過溶液法批量制備，成本大為降低。該薄膜的表面散射使其顏色為白色，能有效避免鏡面反射導致的光污染問題。

    2.該薄膜巧妙地運用了硅氧鍵和硅氮鍵在致密層狀和顆粒狀態下，分別于大氣窗口內互補的光學震動峰值進行結合，獲得了高紅外發射率（94.6%）同時兼具高光譜選擇性（1.46）。

    3.在香港的高溫高濕環境中，且不使用任何對流遮擋覆蓋的情況下，于秋季獲得了高達5度的正午降溫，于夏季獲得了高達2.5度的正午降溫。其制冷溫度比非遠紅外選擇性制冷薄膜高出40%。

    4.得益于其全無機材料組份，該薄膜擁有優異的耐紫外輻射和耐水浸泡性能。表面的無機粘合層和強疏水性，也使其擁有良好的耐久性和自清潔功能。

    【圖文導讀】

    圖1 輻射制冷薄膜的光譜和制備流程

    圖2 輻射制冷薄膜的結構和光學性能

    圖3 制冷薄膜的戶外實驗和測試結果

    圖4 制冷薄膜的性能對比和耐久性研究

    【小結】

    綜上所述，本工作提出了一種結構簡單的輻射制冷薄膜，實現了大氣窗口的高發射率和遠紅外的高選擇性，突破了此前二者難以兼得的限制。全無機組份和溶液法加工工藝也使其擁有更好的環境耐性和大規模低成本生產潛力。