孔径工程化介孔二氧化硅纳米颗粒构筑超薄高太阳反射率被动辐射冷却涂层

《Results in Engineering》：Ultrathin passive cooling coatings with high solar reflectance via pore-engineered mesoporous silica nanoparticles

　　

通过孔径工程化介孔二氧化硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles, MSNs）实现高太阳反射率的超薄被动冷却涂层。通过MSNs的孔径调控实现增强的背向散射（backscattering）。约（～）140 μm厚的纳米复合涂层（nanocomposite coating）表现出98.8%的太阳反射率（solar reflectance）和94%的发射率（emissivity）。该纳米复合涂层在户外条件下实现低于环境温度的日间冷却（sub-ambient daytime cooling）。该纳米复合涂层在最小厚度下提供良好的辐射冷却（radiative cooling）性能。

研究背景与问题：空间冷却能耗自1990年以来增长三倍以上，空调预计成为未来全球电力需求的主要驱动之一，因此无需运行性能耗的被动热管理策略对建筑和基础设施日益重要。被动日间辐射冷却（passive daytime radiative cooling）通过高太阳反射率（solar reflectance）和大气窗口（8–13 μm）高中红外（mid-infrared, MIR）发射率向外层空间散热。实际涂层需在最小厚度下满足多光谱要求，并兼顾机械稳健性、长期环境稳定性和可放大低成本制造。聚合物纳米复合涂层中，Zhao et al.报道玻璃颗粒/Al₂O₃涂层太阳反射率96%、MIR发射率95%、低于环境3.5°C；Fu et al.的SiO₂/Al₂O₃在聚偏氟乙烯（PVDF）/聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）中达93.8%和97.1%。但固体SiO₂与PDMS、聚乙烯醇缩丁醛（poly(vinyl butyral), PVB）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、PVDF等基体折射率差小（Δn<0.05），背向散射弱，常需>400 μm厚层；Kang et al.的1000 μm SiO₂/ZrO₂/PDMS达96.7%，Xia et al.的400 μm SiO₂/TiO₂/PVDF达99.2%，同厚度仅SiO₂为82.9%。因此需解决薄层高反射与高发射协同问题。原文指出介孔可降低颗粒有效折射率并增加二氧化硅–空气界面，但孔尺寸对Mie散射、涂层反射和户外冷却的作用尚缺研究。

研究开展与结论意义：研究人员通过孔径工程化MSNs，将平均孔径从4 nm调至12 nm而保持颗粒外形尺寸，构建PVB/PDMS双聚合物基体，制备约140±10 μm厚纳米复合涂层。结论为MSN-12 nm涂层太阳反射率98.8%、MIR发射率94.0%、户外日间低于环境2–3°C，并在不同气候区显示冷却节能潜力；其意义在于以孔径工程提升单位厚度散射效率，为超薄辐射冷却涂层提供通用设计框架。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）模板溶胶–凝胶和硼氢化钠（NaBH₄）后处理制备孔径受控MSNs，并制备PVB/PDMS纳米复合涂层；以透射电子显微镜、N₂吸附–脱附、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外衰减全反射（FTIR-ATR）和接触角表征结构与表面性质；用COMSOL Multiphysics 6.3基于有效介质和Mie理论模拟单颗粒散射；用积分球分光光度计和FTIR积分球测太阳反射率与MIR发射率，并进行角分辨反射测量；在韩国京畿道龙仁市Kyung Hee University开展户外热测试（2025年11月21–22日等）；用EnergyPlus^TM对15,390个全球气候位置和中层公寓参考模型进行建筑冷却能耗模拟。

研究结果：
3.1 Nanoparticle design and scattering analysis：研究人员通过结构表征和有效介质散射模拟发现，NaBH₄后处理使平均孔径由约4.1±0.3 nm增至约11.8±0.8 nm，而MSN-4 nm、MSN-12 nm和SSN平均粒径分别约526±63、519±68和510±21 nm，说明孔径扩大未改变外部颗粒尺寸；体积孔隙率Φ由0.435升至0.483，使有效折射率（effective refractive index, n_eff）由1.245降至1.223，与PDMS的折射率对比|Δn|达0.187，而SSN仅约0.05；模拟表明MSN-12 nm在太阳光谱内散射效率（scattering efficiency, Q_sca）最强。

3.2 Morphology and structural uniformity of MSN nanocomposite coatings：通过截面和表面电子显微分析，研究人员确认MSN-12 nm、MSN-4 nm、SSN纳米复合涂层及商业白漆（commercial white paint, CWP）厚度均约140±10 μm且颗粒分布致密；MSN-12 nm涂层体积密度为1.151±0.122 g/cm³，面质量密度为161.14±12.69 g/m²；水接触角平均130.8°，高于CWP的98.1°，并表现出更好的自清洁能力。

3.3 Spectral and angular characterization：通过漫反射、太阳反射率、MIR发射率和角分辨测量，研究人员得出MSN-12 nm涂层0.3–0.9 μm平均漫反射率约98.8%，高于MSN-4 nm的94.7%、SSN的87.5%和CWP的85.9%；0.3–2.5 μm太阳反射率98.8%，高于MSN-4 nm的96.2%、SSN的91.0%和CWP的90.9%；硅基涂层MIR发射率均为94.0%，CWP为87.0%；MSN-12 nm在0.3–0.9 μm及1.0–2.5 μm、10°–70°角范围内保持更高反射；厚度增至约160 μm后反射率趋于平台。

3.4 Outdoor test and comparative EnergyPlus simulations：通过户外热测试和EnergyPlus^TM模拟，研究人员发现MSN-12 nm涂层在日照下保持最低表面温度，较环境低约2–3°C，而SSN和CWP在峰值辐照下比MSN-12 nm高约7–8°C、比环境高约5–6°C；全球15,390个气候位置模拟显示冷却节能随气候显著变化，最大年冷却节能达17 GJ（5.1°S、38.6°E），40°纬度以下平均9.44 GJ，约2,622 kWh/年；美国凤凰城绝对节能最高13.02 GJ，旧金山相对节能最高15.31%；冷却度日较高地区节能更大，云量增加则节能下降。

讨论部分总结：Future Perspectives指出，实际应用前需进一步开展表面化学工程以抑制硅醇（–OH）和吸附水相关近红外吸收，并发展疏水功能化和无机/有机包覆层以保持MIR发射率；需评估紫外（UV）暴露、湿度循环、灰尘积累和机械磨损下的长期耐久性，优化聚合物基体并引入兼容UV稳定剂；未来还应优化超声喷涂和卷对卷刮涂等自动化沉积，降低湿膜厚度并保持散射效率，优化材料质量消耗，并探索柔性基底、曲面和多层建筑围护结构应用，以及与其他光谱选择性填料和聚合物结合的多功能热管理涂层。

研究结论部分翻译：研究人员开发了相对于传统颗粒–聚合物涂层的超薄MSN-12 nm纳米复合涂层，基于孔径工程化MSNs，在平均厚度140±10 μm下实现高太阳反射率98.8%、高MIR发射率94.0%和日间冷却2–3°C。通过将颗粒内孔径从4 nm增至12 nm并保持相似粒径分布，显著增强散射效率及与聚合物基体的折射率对比，从而在降低厚度下提高太阳反射率并保持强MIR发射率。基于有效介质的电磁模拟、角分辨反射测量和户外热测试表明MSN-12 nm涂层在光学和热性能指标上优于SSN纳米复合涂层和CWP参比涂层。对比分析进一步表明该涂层在厚度上具有与已报道纳米复合涂层相当或良好的冷却性能。建筑能耗模拟显示不同气候区具有冷却节能潜力，尤其在高太阳辐照和显著冷却需求地区。总体而言，本研究建立的孔径工程策略为基于介孔二氧化硅及其他介电纳米材料设计下一代辐射冷却涂层提供了通用框架。基于这些发现，正在进行的工作集中于改进表面疏水功能化以完全抑制硅醇相关近红外吸收、系统评估多环境耐久性并优化自动化沉积方法。