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斯坦福大學崔屹團隊，最新PNAS！

成果簡介

空間供暖和制冷每年消耗約13%的全球能源。先進材料的開發促進了供暖和制冷方面的節能，這一點越來越受到人們的關注。熱隔離所關注的空間，并盡量減少與外界環境的熱交換已被認為是一個有效的解決方案。

斯坦福大學崔屹教授團隊等人開發了一種通用的彩色低發射率涂料，以形成由紅外(IR)反射底層和紅外透明彩色頂層組成的雙層涂料。豐富多彩的視覺外觀確保了與傳統涂料相媲美的美學效果。該涂料實現了高中紅外反射率(高達80%)，是相同顏色的傳統涂料的10倍以上，有效地減少了從外部環境獲得和損失的熱量。高的近紅外反射率也有利于在炎熱的日子里減少太陽的熱量增益。

這些涂料的優勢特點在全年的供暖和制冷節能和懲罰之間取得了平衡，提供了一個全面的全年節能解決方案，適用于各種氣候帶。以典型的中高層公寓為例，應用該彩色低輻射涂料可實現采暖、通風、空調正向節能，節能量可達27.24 MJ/m²/y(節能率7.4%)。此外，涂料的多功能性，以及它對各種形狀和材料的不同表面的適用性，使涂料在各種場景中廣泛使用，包括建筑圍護結構，運輸和存儲。

相關工作以《Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings》為題在《PNAS》上發表論文。

圖文導讀

圖1 設計原理示意圖及樣品展示

為了提供一種通用的節能解決方案，本文提出了一類彩色低輻射涂料作為傳統涂料的替代品。它們對各種形狀和材料的表面具有很高的安裝靈活性。此外，它們是多功能的，適用于各種應用場景，包括建筑，運輸，儲存和包裝。

該涂料不僅滿足了傳統涂料的基本功能，而且減少了熱輻射交換，節省了加熱或冷卻能源。以建筑圍護結構為例，如圖1A所示，這些涂料被設計用于在圍護結構表面(如墻壁和屋頂)上形成涂層，以幫助防止與位于中紅外(MIR)波長范圍(主要為7至14微米)的周圍環境的熱輻射交換。

為了實現這一目標，作者設想了一種具有理想光學性能的雙層涂層結構，可以通過噴涂方法方便地制備(圖1B)。作者設計了紅外反射層作為底層，以產生高紅外反射率，從而通過顯著減少MIR熱輻射吸收和發射來抵抗熱增益和損失。此外，它還減少了來自太陽的近紅外熱增益。頂層作為紅外透明顏色層，選擇性地反射所需的可見顏色，但允許紅外輻射的高透射，以保持底層的高紅外反射率。因此，作者開發了兩組可以容易地用于形成所提議的雙層涂層的涂料。紅外反射鋁(Al)微片(MF)涂料，可以創建熱反射涂層配制(圖1 C和D)。

基于無機納米顆粒的紅外透明彩色涂料被配制成各種顏色用于彩色頂層涂層。普魯士藍(PB)、氧化鐵(Fe₂O₃)、針鐵礦(α-FeOOH)和氧化鋅(ZnO)被用來產生原色(分別為藍色、紅色、黃色和白色)，通過混合可以產生其他顏色。結合上述兩組涂料的彩色low-e涂料是傳統涂料的適當替代品。它們不僅保持美觀效果，還提供額外的隔熱。各種顏色的圖形圖案可以很容易地創建。圖1E展示了制造過程的照片和使用該涂料解決方案獲得的雙層結構的斯坦福標志，這表明它們可以成為傳統涂料的有希望的替代品。

圖2 形貌和光學特性表征

采用低成本的微尺寸Al片(橫向尺寸為數十微米)作為底層熱反射漆的功能成分。它們分散在二元溶劑體系(對二甲苯和二氯甲烷)中，溶解的丁腈橡膠-尿素(NBR-U)作為聚合物粘合劑。Al MF涂層表面形貌的SEM圖像(圖2A)顯示，其具有大寬高比和表面活性劑修飾的表面易于聚集和定向，組裝成致密光滑的表面。該Al MF涂層的MIR反射率約為85%(圖2D)，這是Al顆粒類型、溶劑和聚合物粘結劑的選擇及其配比優化的綜合結果。

為了在著色的同時保持鋁MF涂層的紅外反射率，選用無機紅外透明納米粒子作為顏料，制備了彩色的紅外透明涂料。一種或多種無機紅外透明納米粒子顏料分散在NBR-U(粘合劑)-丙酮(溶劑)體系中。通過噴涂的方法，將納米顆粒分散在取向鋁納米材料的表面(圖2B)。圖2C顯示了典型的雙層彩色(紅色)low-e涂層截面的SEM圖像。厚度約為5~10微米的Al MF層和厚度僅為幾微米的顏色層的組合足以產生表觀顏色和相當高的MIR反射率。將不同顏色的BLCs表示為“顏色”-BLC，如藍色BLCs。

圖2D展示了用FTIR光譜儀測得的MIR總反射率。在玻璃基底上，Al MF涂層的普通底層的反射率約為85%，相當于~0.15的發射率。由于聚合物粘結劑不可避免的熱吸收和多孔形態的影響，添加頂部顏色層降低了MIR的總反射率，但MIR的總反射率仍可達到~80%。此外，作者使用UV-Vis-NIR光譜儀測量了這些彩色低發射率涂層在可見光和近紅外波長范圍內的總反射率。如圖2E所示，單層純鋁中頻涂層在整個可見光和近紅外波長范圍內的反射率為~80%；在原色中，雙層涂層在近紅外波長范圍內的反射率為65%~75%，而在藍色、紅色和黃色中則顯示出不同的主反射可見光波長。

圖3 實際應用可行性評估

此外，通過表征表面性質和光學性質，驗證了實際應用的可行性。首先，測量了純Al MF涂層和雙層涂層的水接觸角。如圖3A所示，涂層的平均水接觸角為118°。這種良好的疏水性表明涂層排斥水，這可能提高其在潮濕環境中的穩定性。

為了評估涂層在不同環境下的耐久性，將涂層樣品在高溫(80℃)、低溫(液氮)、酸(硫酸，pH = 4)和堿(氫氧化鉀，pH = 10)中連續保存一周。通過測量MIR光譜，并觀察每次測試前后樣品的視覺外觀。在高溫和低溫測試后，MIR光譜沒有受到影響(圖3B)，實物照片表明涂層的外觀保持完整。暴露于酸和堿后，涂層樣品的MIR光譜和外觀也保持良好(圖3C)。這些結果說明了雙層涂層具有良好的環境耐久性。

此外，通過圖3D插入部分所示的測試來驗證色牢度，其中通過連續水流沖洗涂層并測量樣品質量。如圖3D所示，在測試過程中，樣品質量幾乎沒有變化，這表明顆粒/薄片之間具有良好的粘附性，可以防止顏色褪色。此外，涂層表面可以很容易地通過濕紙巾或水沖洗清潔(圖3E)。該涂料也是通用的，可以應用于各種形狀和材料的各種表面(圖3F)，在許多不同的場景中作為額外的熱隔層。

圖4 人工冷/熱環境下的隔熱演示

然后，作者對涂層隔熱效果中的熱性能進行了研究。作者使用了模擬建筑，每個模擬建筑都安裝了一個能夠產生熱量的插入式電加熱器。這些模擬物的外表面分別以四種方式之一進行處理：未改性、涂覆商業藍色涂料、涂覆單層普通Al MF涂層或涂覆藍色BLC(圖4A)。

如圖4B所示，作者測量了在寒冷環境(5°C)下，加熱器所需的功率密度，以抵抗熱損失并保持建筑物模擬物內部溫度恒定在25°C(通過建筑物模擬物中插入的熱電偶測量)。對于不同的涂層樣品，加熱器和熱電偶的位置在每個建筑模擬物中都是相同的，以便進行平行比較。與空白建筑模擬材料和商用藍色涂料相比，普通Al MF涂料和藍色BLC均可顯著降低加熱器功率密度需求(圖4C)。與商用藍色涂料相比，藍色BLC將所需的加熱器功率密度降低了約36%，從而驗證了其在減少與周圍環境的熱交換和建筑節能方面具有巨大潛力。

白色BLC有望提供與Al MF涂料相似的隔熱效果，同時它可以確保與商用白涂料相同的美學效果。為了證明它們的耐熱性能，首先進行了當樣品放入熱環境后，升高內部溫度。與商用白色涂料相比，普通Al MF涂料和白色BLC均導致內部溫度升高慢得多，如圖4E所示。驗證了該涂料的高熱反射率能有效地減輕環境的輻射熱增益。

此外，作者還進行了測試，以表征冷鏈運輸過程中通常使用的相變材料的質量變化。選擇冰塊作為相變材料的代表，并在相同的高溫環境下儲存在貨箱內(圖4F)。圖4F顯示了測量到的冰塊質量，圖4G顯示了40分鐘測試周期前后的冰塊照片。結果表明，普通Al MF涂層和白色BLC均能顯著減緩冰的融化速度，降幅約為20.8%。在測試結束時，使用low-e涂料的貨箱內的冰塊質量大約是使用商用白色涂料的貨箱的兩倍。這表明該涂料在運輸過程中可以節省大量的冷卻能量或維持相變材料溫度。

圖5 一個典型的中層公寓建筑的節能計算地圖

此外，作者利用商業化的建筑能源模擬軟件EnergyPlus(版本9.5)來計算如果在墻壁和屋頂上使用彩色low-e涂料，典型的中層公寓樓每年可以節省多少暖通空調能源。以美國不同氣候帶的城市為研究對象，利用典型氣象年(TMY3)每個地點每小時的天氣數據作為外部天氣條件，綜合考慮溫度、相對濕度、風向和風速、太陽輻射等。暖通空調節能包括采暖節能、制冷節能和風機節能。

如圖5A所示，通過安裝彩色low-e涂料，可以幫助減少寒冷天氣室內環境的熱量損失，實現普遍的供暖節能。年采暖節能值從0.102 MJ/m²/y(夏威夷科納)到21.07 MJ/m²/y(亞利桑那州溫斯洛)不等，這不僅受當地天氣的影響，還受建筑保溫條件的影響。一般來說，對于寒冷氣候地區和保溫較少的建筑，采暖節能效果更為明顯。在模擬中，在最冷的氣候區(阿拉斯加)沒有觀察到最大的供暖節能，這可能是因為該地區原有的建筑隔熱已經是最好的。對于制冷節能(圖5B)，它表明該涂料應用在炎熱氣候地區的隔熱程度較低的建筑物上表現出更顯著的效果。

風扇負責在整個建筑物內循環空氣，通常與冷卻和加熱系統一起使用，幫助在整個建筑物內分配冷卻和加熱空氣。安裝low-e涂料可使風機節能高達3.90 MJ/m²/y，這在炎熱氣候地區也更為明顯(圖5C)。總體而言，通過安裝該材料，可以在整個美國實現積極的暖通空調節能。如圖5D所示，每年最多可節約27.24 MJ/m²/y的能源(對應于7.4%的節電率)，節能效果在全國范圍內是普遍的，可以節省大量的電力和天然氣，從而減少溫室氣體的排放。

文獻信息

Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings，PNAS，2023.

https:/www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300856120

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