超疏水光子-声子FEP复合材料的日间辐射冷却性能研究及其应用

为解决空间冷却能耗问题，河北科研团队通过将TiO2和Al2O3嵌入FEP基体，开发出兼具高太阳反射率（0.984）和大气窗口发射率（0.981）的被动日间辐射冷却（PDRC）涂层，其超疏水性（WAC=162.8°）和98.7 W/m2的冷却功率为建筑节能提供新方案。

　　

随着全球能源危机加剧，空间冷却能耗已占非可再生能源消耗的25-35%。传统空调系统依赖电力驱动，加剧碳排放。被动日间辐射冷却（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）技术通过反射太阳光（0.3-2.5 μm）并发射中红外热辐射（8-13 μm大气窗口波段），实现零能耗降温，成为研究热点。然而，现有材料难以同时满足高反射率、高发射率和环境稳定性要求。

河北科研团队受沙漠甲虫背部微纳结构启发，采用喷雾结合相分离法将TiO₂和Al₂O₃颗粒嵌入氟化乙烯丙烯（FEP）基质，制备出具有多重协同效应的PDRC复合材料。通过KH-570硅烷偶联剂改性，解决了无机颗粒分散性问题，并利用TiO₂的近红外高折射率与Al₂O₃的声子极化共振（phonon polarisation resonance），实现了光学性能的突破性提升。

关键技术方法
研究采用计算模拟优化Al₂O₃/TiO₂粒径配比，通过喷雾-相分离法构建微纳结构，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）表征光学性能，使用接触角测量仪评估超疏水性，并设计户外实验测试实际冷却效果。

研究结果

1. INTRODUCTION
   阐明PDRC技术对缓解全球冷却能耗的意义，指出现有材料在耐久性和光学性能上的不足。

2. THEORETICAL BASIS
   建立辐射冷却功率（RCP）计算公式，量化材料需满足的太阳反射率（>0.9）和大气窗口发射率（>0.9）阈值。

3. MATERIALS AND SAMPLE PREPARATION
   揭示FEP的C-F键振动（7-10 μm）与Al₂O₃声子共振（10-12 μm）的波段匹配性，通过0.4 μm颗粒尺寸设计实现最大散射效率。

4. Characteristics of PDRC materials
   实验显示涂层太阳反射率达0.984，大气窗口发射率为0.981，接触角162.8°。户外测试表明其可实现10.9°C温降，且pH/UV辐照后性能无衰减。

结论与意义
该研究通过仿生设计与多尺度调控，首次实现FEP基PDRC涂层的超疏水-高冷却性能一体化。其98.7 W/m²的冷却功率优于多数报道值，且规模化制备成本低，对建筑节能和极端环境热管理具有重要应用价值。论文发表于《Optical Materials》，为新型冷却材料开发提供理论和技术范式。