文獻(xiàn)前沿丨Chemical Engineering Journal：具備雙波段發(fā)射特性的二氧化硅基全無機(jī)日間輻射制冷涂層

隨著全球變暖、城市熱島效應(yīng)加劇以及建筑冷卻需求不斷增長，被動(dòng)日間輻射制冷（passive daytime radiative cooling，PDRC）因其無需外部能量輸入、能夠通過太陽反射和紅外輻射實(shí)現(xiàn)降溫而受到廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有高性能輻射制冷涂層多依賴有機(jī)聚合物基體或復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，長期戶外使用中容易受到紫外老化、黃變、機(jī)械磨損和熱降解影響。針對(duì)這一問題，本文提出了一種基于堿性硅溶膠、球形無定形SiO?（spherical amorphous SiO2，SA-SiO?）和α-SiO?的全無機(jī)輻射制冷MS涂層。該涂層通過顆粒堆積策略調(diào)控光學(xué)散射與力學(xué)骨架：球形SiO?提供強(qiáng)米氏散射以提高太陽反射，α-SiO?作為剛性填料填充空隙并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)互鎖，硅溶膠在干燥固化過程中通過Si–O–Si鍵形成連續(xù)無機(jī)網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)化后的1:3:1配方實(shí)現(xiàn)92.2%的太陽反射率，在第一大氣窗口（8–13μm）和第二大氣窗口（16–25μm）均具有超過90%的中紅外發(fā)射能力，并達(dá)到8H鉛筆硬度。室外模型房測試表明，該涂層可在夏季使室內(nèi)溫度相較商業(yè)白涂層降低約4–6℃。在約1300℃火焰攻擊下，涂層可原位陶瓷化形成致密保護(hù)層，使4mm木板超過480s不被燒穿。該研究實(shí)現(xiàn)了輻射制冷、全無機(jī)環(huán)保、防火安全和耐久涂層工藝的結(jié)合，為下一代綠色建筑圍護(hù)材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)工作以SiO?-based all-inorganic daytime radiative cooling coating with dual-window emission為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文圍繞建筑輻射制冷涂層的全無機(jī)化、耐火與耐候需求，制備了SiO?基MS雙窗口日間輻射制冷涂層。通過調(diào)控硅溶膠、SA-SiO?和α-SiO?比例，確定1:3:1配方兼具92.2%太陽反射率、8–13μm和16–25μm雙窗口高發(fā)射率及8H硬度（圖1）。SEM、EDS、XPS、FTIR和XRD表明涂層形成致密顆粒堆積、均勻Si–O無機(jī)網(wǎng)絡(luò)及“晶體-非晶”復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖2），其成膜依賴硅溶膠脫水縮合生成Si–O–Si鍵（圖3）。室外模型房測試驗(yàn)證其夏冬均可降低屋面和室內(nèi)溫度（圖4）。TG/DSC、火焰和隔熱測試證明其可陶瓷化并保護(hù)基底超過480s（圖5）。MS涂層穩(wěn)定性測試和EnergyPlus模擬進(jìn)一步顯示其具備長期穩(wěn)定性和建筑節(jié)能潛力（圖6-7）。

圖1.MS涂層不同組分質(zhì)量比下的光學(xué)與硬度性能：（A）不同硅溶膠、SA-SiO?和α-SiO?質(zhì)量比下的平均反射率、第一大氣窗口平均發(fā)射率和第二大氣窗口平均發(fā)射率；（B）不同組分質(zhì)量比MS涂層的鉛筆硬度；（C）不同組分質(zhì)量比MS涂層的太陽反射光譜和中紅外發(fā)射光譜。

圖2.MS涂層結(jié)構(gòu)與成分表征：（A）MS涂層SEM圖像；（B-C）MS涂層中O、Na、Si和Al的EDS元素分布；（D）MS涂層XPS譜圖；（E）球形SiO?顆粒粒徑分布；（F）MS涂層、硅溶膠、SA-SiO?和α-SiO?的FTIR光譜；（G）MS涂層、硅溶膠、SA-SiO?和α-SiO?的XRD圖譜。

圖3.MS涂層成膜過程示意圖：（A）由SA-SiO?、α-SiO?和硅溶膠組成的濕膜沉積在基底表面；（B）水分蒸發(fā)后各組分在干燥復(fù)合涂層中的微觀堆積形貌；（C）硅溶膠黏結(jié)劑附著在SA-SiO?和α-SiO?表面；（D）硅粉體表面羥基與硅溶膠納米顆粒表面羥基脫水縮合形成穩(wěn)定-O-Si-O-連接；（E）硅溶膠納米顆粒之間通過表面羥基脫水反應(yīng)形成-O-Si-O-化學(xué)鍵。

圖4.MS涂層室外冷卻測試：（A）室外測試自然環(huán)境實(shí)物圖；（B）模型房測試結(jié)構(gòu)示意圖；（C）夏季太陽輻射功率曲線；（D）夏季濕度與風(fēng)速；（E）夏季模型房表面實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度；（F）夏季模型房內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度；（G）冬季太陽輻射功率曲線；（H）冬季濕度與風(fēng)速；（I）冬季模型房表面實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度；（J）冬季模型房內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度與環(huán)境溫度。

圖5.MS涂層熱穩(wěn)定與防火性能：（A）MS涂層熱重分析曲線；（B）MS涂層差示掃描量熱曲線；（C-D）商業(yè)涂層木板和MS涂層木板在丁烷火焰中的燃燒過程照片；（E）恒溫加熱階段基底、MS涂層和商業(yè)涂層的紅外熱圖；（F）對(duì)應(yīng)表面溫度變化；（G）熱絕緣性能測試裝置；（H）測試后商業(yè)涂層和MS涂層樣品照片；（I）對(duì)應(yīng)樣品背面溫度曲線。

圖6.MS涂層穩(wěn)定性測試：（A）經(jīng)不同穩(wěn)定性測試后MS涂層的平均反射率、第一大氣窗口平均發(fā)射率和第二大氣窗口平均發(fā)射率；（B）不同穩(wěn)定性測試后MS涂層的鉛筆硬度；（C）不同處理?xiàng)l件下MS涂層的太陽反射光譜和中紅外發(fā)射光譜。

圖7.EnergyPlus建筑節(jié)能模擬：（A）不同城市制冷負(fù)荷及節(jié)能率；（B）采暖負(fù)荷及節(jié)能率；（C）全年總負(fù)荷及節(jié)能率；（D）模擬建筑模型。

小結(jié)：本研究通過室溫簡易混合策略，利用堿性硅溶膠、球形無定形SiO?（SA-SiO?）和α-SiO?成功制備了一種堅(jiān)固、全無機(jī)且具備本征防火安全性的被動(dòng)輻射制冷涂層。通過優(yōu)化三元顆粒堆積，質(zhì)量比為1:3:1的MS涂層在高光學(xué)效率和優(yōu)異機(jī)械完整性之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同平衡，其太陽反射率達(dá)到92.2%，中紅外發(fā)射率超過90%，鉛筆硬度達(dá)到8H。連續(xù)室外測試驗(yàn)證了該涂層在不同季節(jié)下的優(yōu)異冷卻能力：在炎熱夏季條件下，MS涂層能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境降溫，相較商業(yè)白涂層使模型房內(nèi)部空氣溫度降低約4–6℃；即使在冬季，該涂層仍保持較強(qiáng)輻射排熱能力，說明其光譜選擇性具有良好環(huán)境穩(wěn)定性。與已有無機(jī)輻射制冷涂層相比，該MS涂層同時(shí)具備較高光學(xué)效率、極高機(jī)械硬度、本征防火安全和室溫可規(guī)模化制備優(yōu)勢。更重要的是，該工作解決了輻射制冷材料中能效與防火安全之間的矛盾：與有機(jī)基制冷涂層不同，該全無機(jī)體系具有零煙霧和零VOCs釋放特征，并且本身不可燃。在約1300℃極端火焰攻擊下，涂層發(fā)生原位陶瓷化，形成致密隔熱殼層，使4mm厚木質(zhì)基底超過480s未被燒穿。此外，MS涂層依靠穩(wěn)定的無機(jī)硅氧網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出良好的耐紫外、耐水浸和耐高溫?zé)釠_擊能力。EnergyPlus建筑模擬進(jìn)一步證明其在熱濕氣候區(qū)具有實(shí)際節(jié)能價(jià)值，尤其在長三角、珠三角等人口密集和制冷需求較高區(qū)域，年制冷節(jié)能率可超過10%。綜合來看，該研究將高效輻射制冷、本征防火、機(jī)械耐久和區(qū)域建筑節(jié)能潛力集成于一種可規(guī)模化涂層體系中，為下一代綠色建筑提供了一種具有實(shí)際應(yīng)用前景的可持續(xù)材料方案。

論文信息：Xi Kang, Huimin Wu, Huiquan Ju, Fajun Wang, Junfei Ou, Aumber Abbas, SiO?-based all-inorganic daytime radiative cooling coating with dual-window emission. Chemical Engineering Journal, 2026, 543: 178454.

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