随着经济社会快速发展，空调制冷已经成为建筑物保持内部温度舒适不可或缺的手段，但空调普遍采用的空气压缩制冷技术不仅耗电严重，产生大量温室气体，还会造成环境“净”升温效应。此外，压缩机的制冷剂在使用过程中泄露会破坏大气臭氧层，加剧其他环境问题。相比之下，具有净制冷能力的被动式日间辐射制冷（PDRC）技术对太阳光具有极高反射率，同时可将自身热量通过波长为8-13 μm的大气透明窗口散逸到外太空，因此无需损耗电能就能实现建筑物表面自发降温，有望替代空气压缩制冷系统，对世界能源格局和减缓全球气候变暖有着积极意义。然而，PDRC材料的实际应用还面临复杂昂贵的制造方式以及表面污染引起制冷性能不断衰减的难题。
针对上述问题，美国东北大学郑义教授与成都科学技术发展中心唐昶宇研究员合作，设计了一种可表面自清洁、可辐射制冷、可再生的纤维素纸。这项工作选用了具有高红外发射率、高太阳光反射率的纤维素纸作为基底，将聚四氟乙烯微纳米颗粒均匀地镶嵌在纤维素纸表面的微孔内形成具有仿荷叶效应的超疏水涂层（图1）; 该涂层的引入不仅可以增强纤维素纸表面太阳光反射率（反射率从0.89提高到0.93）而提高制冷功率（图2），还可以保护纤维素纸免于雨水淋湿、灰尘污染，这种防水、自清洁能力有助于解决PDRC材料辐射制冷性能在户外环境中衰减的问题。在834 W/m 2和671 W/m 2的太阳辐射强度下，该超疏水纸的辐射制冷功率可达104 W/m 2, 能实现低于大气温度5°C的制冷效果。此外，该纤维素纸可以回收造浆再次制成辐射制冷纸，具有环保、低成本的特点。
图1.（a）原始纸张，（b）PTFE涂覆的纤维素纸的表面润湿状态和微观结构。
图2. 原始纸张和辐射制冷纸的半球反射率光谱。
该研究还进一步推进了辐射制冷材料在户外建筑模型中的应用探索。实验将纤维素复合纸张染成红色和黄色，贴于木制房屋模型表面（图3），与染有同样颜色的木制房屋模型进行户外降温效果对比，发现贴有红色、黄色纸张的房屋模型室内温度分别比同样染色的房屋模型低2.2 °C和 2.6°C （图3）。该结果进一步说明经过染色的纤维素复合纸可以吸收适当的可见光波长显示特定颜色，还同时有效反射近红外光以减少太阳光加热效应，从而兼顾了建筑物辐射制冷和装饰美观的需求。
图 3.染色的辐射制冷纸所包覆的木制房屋模型。
该研究进展以《Superhydrophobic and Recyclable Cellulose-Fiber-Based Composites for High-Efficiency Passive Radiative Cooling》为题发表在ACS Applied Materials and Interfaces上。该论文共同一作者为田彦培、邵虹，通讯作者为郑义教授和唐昶宇研究员。
论文信息：
Yanpei Tian,⊥ Hong Shao,⊥ Xiaojie Liu, Fangqi Chen, Yongsheng Li, Changyu Tang,* and Yi Zheng*, Superhydrophobic and Recyclable Cellulose-Fiber-Based Composites for High-Efficiency Passive Radiative Cooling, ACS Applied Materials and Interfaces. 2021.
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c04046
来源：高分子科学前沿
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