深蓝色的β-酞菁化合物具有较高的近红外反射率以及强烈的太阳光衰减能力

《Dyes and Pigments》：Dark blue β-phthalocyanines with high near-infrared reflectance and strong solar Attenuation

辐射冷却材料通过热处理调控酞菁类化合物相变实现近红外反射率提升，户外测试证明β-CuPc冷却性能优于传统蓝色颜料，模拟显示涂覆屋顶可降低能耗4.9-10.9%，为兼顾深色美学与高近红外反射的建筑材料提供新方案。

　　随着全球变暖问题的加剧，传统的被动热管理方法正变得越来越重要。其中，辐射冷却技术因其无需额外能源输入、能够有效降低物体表面温度的特性，成为应对城市热岛效应和提高建筑热舒适度的一种有前景的解决方案。然而，目前大多数辐射冷却材料依赖于白色或浅色表面来最大化太阳反射率，这种做法虽然提高了冷却效率，但也限制了材料的美观性，并可能加剧光污染问题。因此，开发具有鲜艳色彩、高辐射冷却性能且能减少光污染的新型材料成为研究热点。

在这一背景下，酞菁类化合物因其丰富的颜色、优异的稳定性以及较低的成本，展现出作为替代材料的潜力。酞菁是一类具有共轭环结构的有机分子，能够有效吸收和反射特定波长的光。在众多酞菁化合物中，金属自由酞菁（H?Pc）和铜酞菁（CuPc）是典型的多态材料，它们在不同温度条件下可以发生晶相转变。这种转变不仅影响材料的物理结构，还可能改变其光学性能，特别是在近红外（NIR）波段的反射率。

本研究通过热处理的方法，将金属自由酞菁和铜酞菁从α相转化为β相，并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见光谱（UV–VIS）等手段验证了这一相变过程。实验结果表明，β相相较于α相在近红外波段的反射率显著提高，从而增强了材料的辐射冷却能力。户外测试进一步证实了β-CuPc在冷却性能方面优于普鲁士蓝和常用的蓝色颜料，这表明其在实际应用中具有更高的潜力。

此外，通过EnergyPlus模拟，研究人员发现β-CuPc涂覆的屋顶相比传统屋顶可降低4.9%至10.9%的冷却能耗。这一结果不仅凸显了β-CuPc在能源效率方面的优势，也表明其在减少光污染和提升建筑美观性方面具有独特的价值。由于其深蓝色的视觉效果，β-CuPc可以在不牺牲冷却性能的前提下，为建筑、车辆和城市基础设施提供更丰富的色彩选择。

在实际应用中，传统冷却材料通常采用三种策略来实现高太阳反射率：一是使用白色无机填料，如二氧化钛（TiO?）或氧化锌（ZnO），这些材料在可见光谱范围内具有较强的散射能力；二是构建多孔微结构，通过微米级孔隙实现入射光的多次反射，从而提高反射率；三是采用金属涂层，如银或金，这些金属在可见光和近红外波段具有较高的反射率。然而，这些方法往往导致材料颜色单一，主要表现为白色或银色表面，这在建筑和设计领域中显得不够理想，因为视觉整合和美观性同样是重要的考量因素。

因此，开发具有广谱颜色选择且保持高效太阳反射率和热发射能力的彩色辐射冷却材料（CRCs）成为研究的重点。彩色辐射冷却材料的关键挑战在于如何在颜色美观性和热性能之间取得平衡。颜色鲜艳的颜料虽然能提供更丰富的视觉效果，但它们在可见光谱范围内的吸收能力较强，这可能会削弱辐射冷却的效果。为了弥补这一缺点，CRCs必须在近红外波段（700–2500 nm）具有较高的反射率，因为太阳辐射中很大一部分能量集中在这一波段。

目前，彩色辐射冷却材料的制备方法通常依赖于掺杂镉、铋、铟或稀土元素的金属氧化物。这些无机材料虽然能够提供所需的光学特性，但往往伴随着较高的成本和潜在的毒性问题，这在大规模建筑和城市冷却应用中构成了明显的障碍。因此，寻找更环保、低成本且具有良好光学性能的替代材料成为研究方向。

酞菁类化合物因其独特的分子结构和颜色特性，成为这一领域的理想候选。酞菁分子具有较强的共轭环结构，能够有效吸收和反射特定波长的光，同时具备良好的附着力和着色力。由于其分子之间存在较弱的范德华力，酞菁晶体在外部环境变化时容易发生分子重排和相变，这使得其在热处理过程中表现出良好的可变性。

金属自由酞菁（H?Pc）和铜酞菁（CuPc）是酞菁类化合物中具有典型多态行为的代表。对于金属自由酞菁，已知的晶相包括α相、β相、τ相和χ相。这些晶相在热力学稳定性和颜色表现上存在显著差异。而铜酞菁则具有八种不同的晶相，包括α相、β相、γ相、δ相、ε相、R相、x相和π相。其中，只有β相是热力学稳定的，其他晶相在适宜的温度条件下会自发转化为β相。

本研究通过热处理的方法，成功诱导了铜酞菁和金属自由酞菁的晶相转变，获得了具有高近红外反射率的深蓝色酞菁颜料。实验结果表明，这种颜料的最大近红外反射率达到62%，在可见光谱范围内也表现出较强的吸收能力。尽管如此，其在近红外波段的高反射率有效弥补了可见光吸收带来的温度升高问题，从而实现了良好的辐射冷却效果。

此外，通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和紫外-可见光谱等手段，研究人员确认了β相的形成过程。这些分析技术不仅能够揭示材料的晶体结构变化，还能提供其光学性能的详细数据。实验结果表明，β相相较于α相在近红外波段的反射率显著提高，这为开发高效且具有美观性的彩色辐射冷却材料提供了新的思路。

在实际应用中，β-CuPc不仅能够有效降低建筑表面温度，还能减少光污染，提高城市热舒适度。其深蓝色的视觉效果使其在建筑、车辆和城市基础设施中具有广泛的应用前景。通过简单的热处理方法，研究人员成功获得了具有高近红外反射率的β相酞菁颜料，这不仅降低了材料的制备成本，还提高了其实际应用的可行性。

综上所述，本研究通过热处理方法实现了铜酞菁和金属自由酞菁的晶相转变，获得了具有高近红外反射率的深蓝色颜料。这种材料在可见光谱范围内表现出较强的吸收能力，但在近红外波段的高反射率有效弥补了这一缺点，从而实现了良好的辐射冷却效果。实验结果表明，β-CuPc在冷却性能方面优于传统材料，同时具备良好的美观性和环保性，为未来建筑和城市热管理提供了新的解决方案。