斯坦福大学崔屹团队，最新PNAS！

成果简介

空间供暖和制冷每年消耗约13%的全球能源。先进材料的开发促进了供暖和制冷方面的节能，这一点越来越受到人们的关注。热隔离所关注的空间，并尽量减少与外界环境的热交换已被认为是一个有效的解决方案。

斯坦福大学崔屹教授团队等人开发了一种通用的彩色低发射率涂料，以形成由红外(IR)反射底层和红外透明彩色顶层组成的双层涂料。丰富多彩的视觉外观确保了与传统涂料相媲美的美学效果。该涂料实现了高中红外反射率(高达80%)，是相同颜色的传统涂料的10倍以上，有效地减少了从外部环境获得和损失的热量。高的近红外反射率也有利于在炎热的日子里减少太阳的热量增益。

这些涂料的优势特点在全年的供暖和制冷节能和惩罚之间取得了平衡，提供了一个全面的全年节能解决方案，适用于各种气候带。以典型的中高层公寓为例，应用该彩色低辐射涂料可实现采暖、通风、空调正向节能，节能量可达27.24 MJ/m²/y(节能率7.4%)。此外，涂料的多功能性，以及它对各种形状和材料的不同表面的适用性，使涂料在各种场景中广泛使用，包括建筑围护结构，运输和存储。

相关工作以《Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings》为题在《PNAS》上发表论文。

图文导读

图1 设计原理示意图及样品展示

为了提供一种通用的节能解决方案，本文提出了一类彩色低辐射涂料作为传统涂料的替代品。它们对各种形状和材料的表面具有很高的安装灵活性。此外，它们是多功能的，适用于各种应用场景，包括建筑，运输，储存和包装。

该涂料不仅满足了传统涂料的基本功能，而且减少了热辐射交换，节省了加热或冷却能源。以建筑围护结构为例，如图1A所示，这些涂料被设计用于在围护结构表面(如墙壁和屋顶)上形成涂层，以帮助防止与位于中红外(MIR)波长范围(主要为7至14微米)的周围环境的热辐射交换。

为了实现这一目标，作者设想了一种具有理想光学性能的双层涂层结构，可以通过喷涂方法方便地制备(图1B)。作者设计了红外反射层作为底层，以产生高红外反射率，从而通过显着减少MIR热辐射吸收和发射来抵抗热增益和损失。此外，它还减少了来自太阳的近红外热增益。顶层作为红外透明颜色层，选择性地反射所需的可见颜色，但允许红外辐射的高透射，以保持底层的高红外反射率。因此，作者开发了两组可以容易地用于形成所提议的双层涂层的涂料。红外反射铝(Al)微片(MF)涂料，可以创建热反射涂层配制(图1 C和D)。

基于无机纳米颗粒的红外透明彩色涂料被配制成各种颜色用于彩色顶层涂层。普鲁士蓝(PB)、氧化铁(Fe₂O₃)、针铁矿(α-FeOOH)和氧化锌(ZnO)被用来产生原色(分别为蓝色、红色、黄色和白色)，通过混合可以产生其他颜色。结合上述两组涂料的彩色low-e涂料是传统涂料的适当替代品。它们不仅保持美观效果，还提供额外的隔热。各种颜色的图形图案可以很容易地创建。图1E展示了制造过程的照片和使用该涂料解决方案获得的双层结构的斯坦福标志，这表明它们可以成为传统涂料的有希望的替代品。

图2 形貌和光学特性表征

采用低成本的微尺寸Al片(横向尺寸为数十微米)作为底层热反射漆的功能成分。它们分散在二元溶剂体系(对二甲苯和二氯甲烷)中，溶解的丁腈橡胶-尿素(NBR-U)作为聚合物粘合剂。Al MF涂层表面形貌的SEM图像(图2A)显示，其具有大宽高比和表面活性剂修饰的表面易于聚集和定向，组装成致密光滑的表面。该Al MF涂层的MIR反射率约为85%(图2D)，这是Al颗粒类型、溶剂和聚合物粘结剂的选择及其配比优化的综合结果。

为了在着色的同时保持铝MF涂层的红外反射率，选用无机红外透明纳米粒子作为颜料，制备了彩色的红外透明涂料。一种或多种无机红外透明纳米粒子颜料分散在NBR-U(粘合剂)-丙酮(溶剂)体系中。通过喷涂的方法，将纳米颗粒分散在取向铝纳米材料的表面(图2B)。图2C显示了典型的双层彩色(红色)low-e涂层截面的SEM图像。厚度约为5~10微米的Al MF层和厚度仅为几微米的颜色层的组合足以产生表观颜色和相当高的MIR反射率。将不同颜色的BLCs表示为“颜色”-BLC，如蓝色BLCs。

图2D展示了用FTIR光谱仪测得的MIR总反射率。在玻璃基底上，Al MF涂层的普通底层的反射率约为85%，相当于~0.15的发射率。由于聚合物粘结剂不可避免的热吸收和多孔形态的影响，添加顶部颜色层降低了MIR的总反射率，但MIR的总反射率仍可达到~80%。此外，作者使用UV-Vis-NIR光谱仪测量了这些彩色低发射率涂层在可见光和近红外波长范围内的总反射率。如图2E所示，单层纯铝中频涂层在整个可见光和近红外波长范围内的反射率为~80%；在原色中，双层涂层在近红外波长范围内的反射率为65%~75%，而在蓝色、红色和黄色中则显示出不同的主反射可见光波长。

图3 实际应用可行性评估

此外，通过表征表面性质和光学性质，验证了实际应用的可行性。首先，测量了纯Al MF涂层和双层涂层的水接触角。如图3A所示，涂层的平均水接触角为118°。这种良好的疏水性表明涂层排斥水，这可能提高其在潮湿环境中的稳定性。

为了评估涂层在不同环境下的耐久性，将涂层样品在高温(80℃)、低温(液氮)、酸(硫酸，pH = 4)和碱(氢氧化钾，pH = 10)中连续保存一周。通过测量MIR光谱，并观察每次测试前后样品的视觉外观。在高温和低温测试后，MIR光谱没有受到影响(图3B)，实物照片表明涂层的外观保持完整。暴露于酸和碱后，涂层样品的MIR光谱和外观也保持良好(图3C)。这些结果说明了双层涂层具有良好的环境耐久性。

此外，通过图3D插入部分所示的测试来验证色牢度，其中通过连续水流冲洗涂层并测量样品质量。如图3D所示，在测试过程中，样品质量几乎没有变化，这表明颗粒/薄片之间具有良好的粘附性，可以防止颜色褪色。此外，涂层表面可以很容易地通过湿纸巾或水冲洗清洁(图3E)。该涂料也是通用的，可以应用于各种形状和材料的各种表面(图3F)，在许多不同的场景中作为额外的热隔层。

图4 人工冷/热环境下的隔热演示

然后，作者对涂层隔热效果中的热性能进行了研究。作者使用了模拟建筑，每个模拟建筑都安装了一个能够产生热量的插入式电加热器。这些模拟物的外表面分别以四种方式之一进行处理：未改性、涂覆商业蓝色涂料、涂覆单层普通Al MF涂层或涂覆蓝色BLC(图4A)。

如图4B所示，作者测量了在寒冷环境(5°C)下，加热器所需的功率密度，以抵抗热损失并保持建筑物模拟物内部温度恒定在25°C(通过建筑物模拟物中插入的热电偶测量)。对于不同的涂层样品，加热器和热电偶的位置在每个建筑模拟物中都是相同的，以便进行平行比较。与空白建筑模拟材料和商用蓝色涂料相比，普通Al MF涂料和蓝色BLC均可显著降低加热器功率密度需求(图4C)。与商用蓝色涂料相比，蓝色BLC将所需的加热器功率密度降低了约36%，从而验证了其在减少与周围环境的热交换和建筑节能方面具有巨大潜力。

白色BLC有望提供与Al MF涂料相似的隔热效果，同时它可以确保与商用白涂料相同的美学效果。为了证明它们的耐热性能，首先进行了当样品放入热环境后，升高内部温度。与商用白色涂料相比，普通Al MF涂料和白色BLC均导致内部温度升高慢得多，如图4E所示。验证了该涂料的高热反射率能有效地减轻环境的辐射热增益。

此外，作者还进行了测试，以表征冷链运输过程中通常使用的相变材料的质量变化。选择冰块作为相变材料的代表，并在相同的高温环境下储存在货箱内(图4F)。图4F显示了测量到的冰块质量，图4G显示了40分钟测试周期前后的冰块照片。结果表明，普通Al MF涂层和白色BLC均能显著减缓冰的融化速度，降幅约为20.8%。在测试结束时，使用low-e涂料的货箱内的冰块质量大约是使用商用白色涂料的货箱的两倍。这表明该涂料在运输过程中可以节省大量的冷却能量或维持相变材料温度。

图5 一个典型的中层公寓建筑的节能计算地图

此外，作者利用商业化的建筑能源模拟软件EnergyPlus(版本9.5)来计算如果在墙壁和屋顶上使用彩色low-e涂料，典型的中层公寓楼每年可以节省多少暖通空调能源。以美国不同气候带的城市为研究对象，利用典型气象年(TMY3)每个地点每小时的天气数据作为外部天气条件，综合考虑温度、相对湿度、风向和风速、太阳辐射等。暖通空调节能包括采暖节能、制冷节能和风机节能。

如图5A所示，通过安装彩色low-e涂料，可以帮助减少寒冷天气室内环境的热量损失，实现普遍的供暖节能。年采暖节能值从0.102 MJ/m²/y(夏威夷科纳)到21.07 MJ/m²/y(亚利桑那州温斯洛)不等，这不仅受当地天气的影响，还受建筑保温条件的影响。一般来说，对于寒冷气候地区和保温较少的建筑，采暖节能效果更为明显。在模拟中，在最冷的气候区(阿拉斯加)没有观察到最大的供暖节能，这可能是因为该地区原有的建筑隔热已经是最好的。对于制冷节能(图5B)，它表明该涂料应用在炎热气候地区的隔热程度较低的建筑物上表现出更显著的效果。

风扇负责在整个建筑物内循环空气，通常与冷却和加热系统一起使用，帮助在整个建筑物内分配冷却和加热空气。安装low-e涂料可使风机节能高达3.90 MJ/m²/y，这在炎热气候地区也更为明显(图5C)。总体而言，通过安装该材料，可以在整个美国实现积极的暖通空调节能。如图5D所示，每年最多可节约27.24 MJ/m²/y的能源(对应于7.4%的节电率)，节能效果在全国范围内是普遍的，可以节省大量的电力和天然气，从而减少温室气体的排放。

文献信息

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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