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南開大學馬儒軍教授團隊《Nano Lett.》:基于干涉-逆反射原理的結構色彩色輻射制冷技術
2022-06-18  來源:高分子科技

  21世紀以來,全球對于制冷的需求急速上升,而以消耗化石能源為代價的傳統制冷技術不僅能耗巨大,而且從根本上使得地球變得越來越熱。輻射制冷作為一種被動制冷方式,其主要通過大氣透明窗口(8-13 mm)將物體自身的熱量以紅外輻射的方式發射到外太空這個巨大的冷源 (~3 K)。這種完全零能耗的制冷方式有望大量節省制冷能耗,對人類社會的可持續發展具有重大意義。


  在最近的研究中,科學家們已經成功解決了日間低于室溫的輻射制冷這個革命性難題。為了實現這個目標,設計的材料不僅需要在中紅外波段具備高發射率而且必須具備對太陽輻射(0.25-2.5 mm)的高反射率。這使得大多數的輻射制冷材料呈現出白色或銀色的外觀。這種單一的顏色不僅阻礙了輻射制冷材料的應用,而且加劇了光污染。盡管有研究通過引入商用染料來賦予輻射制冷材料顏色,但是大量的可見光吸收嚴重降低了制冷能力。因此,如何實現低于室溫的彩色輻射制冷是一個亟待解決的難題。


 

1 (A) 彩色輻射制冷器件的制備過程; (B-D)彩色輻射制冷器件的色彩表征


  近日,南開大學材料科學與工程學院馬儒軍教授團隊報道了一種基于干涉-逆反射原理的結構色彩色輻射制冷器件。圖1A展示了該輻射制冷器件的制備方法。該器件由兩部分組成,頂層為結構色層,底層為輻射制冷層。簡單來說,通過單向摩擦法將尺寸均一的聚苯乙烯微球排列在基底表面,并用透明膠帶將微球層粘下,由此得到了基于干涉-逆反射原理的結構色薄膜。并將此結構色層貼附在旋涂有聚二甲基硅氧烷的鋁箔表面,由此便得到了彩色輻射制冷器件。這種簡單的結構不僅有利于大面積制備,而且在陽光下也能展現出明亮的色彩。通過調節聚苯乙烯微球的粒徑,該輻射制冷器件可以實現全彩的調控(1B-D)。以藍色商用染料和藍色輻射制冷器件為例,藍色商用染料在可見光區的吸收率高達70%而相應的輻射制冷器件在展示出相似顏色的前提下,只有10%的吸收率(圖2A)。在戶外實測中,所有的彩色輻射制冷器件均表現出低于室溫4 K的制冷能力,而相同顏色的商用染料則遠高于室溫2B)。因此,這種兼具色彩和制冷的輻射制冷器有望應用到生活中的各個場景(圖2C)。


(A) 彩色輻射制冷器件的光譜特征; (B) 戶外實測降溫效果;(C 應用展示。


  本研究解決了低于室溫的輻射制冷性能和色彩顯示之間的矛盾,實現了低于室溫的彩色輻射制冷,并拓展了輻射制冷的相關應用。該工作以Photonic-Structure Colored Radiative Coolers for Daytime Subambient Cooling為題發表在《Nano Letters》上。論文第一作者為博士生俞世雄,共同第一作者為助理研究員張權博士,通訊作者為馬儒軍教授,該研究得到了科學技術部與國家自然科學基金委的資助。


  該工作是馬儒軍教授團隊近期關于零能耗輻射制冷材料設計與應用的最新進展之一。馬儒軍教授目前為南開大學材料科學與工程學院智能熱管理實驗室負責人,近年來在主動/被動制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導熱復合材料、能源轉換材料與器件等多學科交叉領域取得了一系列重要的研究成果,并以通訊或第一作者發表在ScienceChemical Society ReviewsJouleEnergy & Environmental ScienceAdvanced MaterialsAdvanced Energy MaterialsNano LettersACS nano等國際知名期刊上。實驗室擁有先進的材料制備平臺以及電學、熱學等測試系統,并圍繞國家重點研發計劃項目等多項課題,展開新能源與智能熱管理技術方向的研究。團隊現誠招材料、化學、物理、電子等相關專業背景的博士后,歡迎有志之士將個人簡歷(pdf)發送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn,郵件標題請注明應聘博士后+本人姓名+博士畢業院校”,對于符合要求并通過初審者,將會通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿前有效。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01570
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(責任編輯:xu)
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