协同的原子级设计提升了ZrO?/SBA-15多孔复合材料的光学和红外辐射性能

《Materials Today Physics》：Synergistic Atomic-Scale Design Realizes Enhanced Optical and Infrared Radiative Properties in ZrO 2/SBA-15 Porous Composites

多孔复合材料通过引入ZrO?优化了太阳能反射率和红外发射率，结合第一性原理计算验证了协同机制。摘要：

　　在当今全球能源需求日益增长、极端天气事件频发的背景下，减少二氧化碳排放成为缓解全球变暖的关键任务之一。为应对这一挑战，科学家们致力于开发具有高效热管理性能的材料，特别是那些能够在太阳光谱和中红外波段实现优异光谱调控的材料。其中，被动式日间辐射冷却技术作为一种新兴的解决方案，因其零能耗、环保等优势而受到广泛关注。该技术的核心在于材料对太阳光的高反射率与对中红外波段的强辐射能力，从而实现热量的高效散发。然而，目前实现高性能光谱调控材料的难点在于如何在保证材料耐久性的同时，提升其光学与红外辐射性能。

针对这一问题，研究团队通过创新性的材料设计策略，开发出一种具有高太阳反射率和强中红外发射率的无机多孔复合材料。这种材料以SBA-15为基体，通过引入ZrO?纳米颗粒，实现了光学与结构性能的协同优化。SBA-15是一种具有高度有序介孔结构的硅基材料，其高比表面积、可调的孔径尺寸以及优异的热稳定性使其成为理想的复合载体。在此基础上，通过将ZrO?纳米颗粒嵌入SBA-15的孔道或骨架中，研究团队成功地构建了一种分层多孔复合材料，其在0.3-2.5 μm波段的平均太阳反射率高达96.8%，而在8-13 μm波段的发射率则达到了0.986。这些数据表明，该复合材料在太阳光谱和大气窗口波段具有显著的热辐射能力，为被动式日间辐射冷却技术的应用提供了强有力的支持。

为了进一步理解ZrO?/SBA-15复合材料的性能提升机制，研究团队采用第一性原理计算方法，深入分析了Zr原子在SBA-15框架中的引入对材料电子结构的影响。计算结果表明，Zr的掺杂能够有效抑制费米能级附近的缺陷态，从而拓宽材料的带隙，并提高其在紫外-可见波段的反射率。这种电子结构的优化不仅增强了材料的太阳反射性能，同时也提升了其在中红外波段的发射能力。通过这种原子尺度的结构设计策略，研究团队成功实现了材料光学与热辐射性能的协同优化，为开发高性能无机多孔复合材料提供了新的思路。

此外，研究团队还对不同ZrO?负载量的复合材料进行了系统的性能对比分析。结果显示，低负载量（0.05-0.1）的ZrO?/SBA-15材料能够保持SBA-15原有的有序六方介孔结构，同时提升其比表面积和孔体积。而高负载量（0.5-1.0）的材料则在保持结构有序性的同时，进一步增强了其在太阳光谱和中红外波段的性能表现。这一发现不仅揭示了ZrO?负载量对材料性能的调控规律，也为实际应用中材料的优化设计提供了理论依据。

在材料合成方面，研究团队采用了一种绿色高效的一步共聚合方法，成功制备了具有均匀分散结构的ZrO?/SBA-15复合材料。该方法不仅简化了材料的制备流程，还有效降低了生产成本，使得这种高性能材料具备了大规模应用的潜力。同时，通过优化分子筛的制备工艺，研究团队还实现了对材料微观结构的精确控制，从而进一步提升了其光学和热辐射性能。

在实际应用中，这种ZrO?/SBA-15复合材料展现出了广阔的前景。由于其优异的太阳反射率和中红外发射率，该材料可广泛应用于建筑节能、太阳能利用、热管理设备等多个领域。特别是在建筑领域，这种材料可以用于制造高效的隔热涂层，从而减少建筑物的能耗，提高能源利用效率。在太阳能利用方面，该材料可以用于开发高反射率的太阳能收集装置，提升太阳能转换效率。而在热管理设备中，该材料可作为高效的散热材料，帮助设备在高温环境下保持稳定运行。

从更广泛的角度来看，这种材料的开发不仅有助于解决全球能源与环境问题，还为材料科学的发展提供了新的方向。通过将实验合成与电子结构计算相结合，研究团队成功实现了材料性能的原子尺度调控，为未来高性能材料的设计与开发奠定了基础。此外，这种材料的制备方法也为其他类型的多孔复合材料提供了可借鉴的思路，即通过优化材料的微观结构和成分比例，实现性能的显著提升。

值得一提的是，研究团队在实验过程中对材料的化学组成和微观结构进行了系统的表征分析。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，研究团队确认了ZrO?在SBA-15中的均匀分散性，并分析了材料的微观结构特征。这些表征结果不仅为材料性能的提升提供了直接证据，也为后续的性能优化和应用拓展提供了重要的数据支持。

同时，研究团队还对材料的热稳定性进行了评估。结果显示，ZrO?/SBA-15复合材料在高温环境下仍能保持其结构和性能的稳定性，这表明其在实际应用中具有较强的耐受性。此外，通过对比不同负载量的材料性能，研究团队还发现，高负载量的材料在保持结构有序性的同时，能够更有效地提升其在太阳光谱和中红外波段的性能表现。这一发现为实际应用中材料的负载量选择提供了理论依据。

在材料设计方面，研究团队通过引入高折射率的ZrO?纳米颗粒，实现了对材料光学性能的显著提升。ZrO?的高折射率特性使其能够有效地散射太阳光，从而减少材料对太阳光的吸收。同时，由于ZrO?具有宽禁带特性，其在紫外-可见波段的吸收能力较低，进一步增强了材料的太阳反射性能。这种光散射与宽禁带特性的协同作用，使得ZrO?/SBA-15复合材料在太阳光谱和中红外波段均表现出优异的性能。

研究团队的成果不仅在材料科学领域具有重要意义，也为相关产业的应用提供了新的可能性。随着全球对节能减排和可持续发展的重视，这种高性能无机多孔复合材料有望在多个领域发挥重要作用。例如，在建筑节能领域，该材料可以用于制造高效的隔热涂层，从而降低建筑物的能耗；在太阳能利用领域，该材料可以用于开发高反射率的太阳能收集装置，提升太阳能转换效率；在热管理设备中，该材料可以作为高效的散热材料，帮助设备在高温环境下保持稳定运行。

总的来说，这项研究通过创新性的材料设计策略，成功开发出一种具有高太阳反射率和强中红外发射率的无机多孔复合材料。这种材料不仅在性能上实现了突破，还在制备工艺和应用前景上展现了巨大的潜力。研究团队的成果为高性能材料的开发提供了新的思路，也为解决全球能源与环境问题提供了有力的技术支持。未来，随着相关技术的不断进步和应用领域的拓展，这种材料有望在更广泛的场景中发挥重要作用，为实现可持续发展目标做出贡献。