隨著全球能源消耗的持續(xù)增長，尤其是城市化與氣候變化的加劇，建筑能耗已占全球總能耗的約40%，其中空間冷卻需求占電力消耗的10%，且預(yù)計(jì)到2050年將增長三倍。光伏技術(shù)雖是實(shí)現(xiàn)脫碳的關(guān)鍵路徑，但其在實(shí)際環(huán)境中的效率仍受限制。被動(dòng)輻射冷卻材料通過反射太陽光并透過大氣窗口向外太空發(fā)射長波紅外輻射，不僅能降低建筑冷卻負(fù)荷，還能提升光伏系統(tǒng)效率。然而，現(xiàn)有材料難以在高效太陽能反射率和實(shí)際應(yīng)用可行性之間取得平衡，成為制約其大規(guī)模推廣的關(guān)鍵瓶頸。

近日，揚(yáng)州大學(xué)龐歡教授、丁建寧教授合作提出了一種基于納米/微米金屬有機(jī)框架衍生的低溫共燒陶瓷材料，為解決上述難題提供了新方案。該材料通過將MIL-96衍生的多級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鋁片嵌入玻璃基質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)了近乎完美的太陽能反射率（>0.98）和高長波紅外發(fā)射率（0.93），在白天可實(shí)現(xiàn)最高7.4°C的低于環(huán)境溫度的冷卻效果，并在中午時(shí)段將光伏短路電流提升10.46 mA。全球模擬顯示，該材料有望通過降低冷卻需求與提升光伏輸出，實(shí)現(xiàn)14.3億噸的二氧化碳減排。此外，該陶瓷具備高機(jī)械強(qiáng)度（43 MPa）、抗紫外老化（>2000小時(shí)）、超疏水（水接觸角150°）、耐火（耐受>1000°C）和近100%可回收等優(yōu)異特性，為氣候中性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了可行路徑。相關(guān)論文以“ Nano/Micro Metal–Organic Framework-Derived Ceramics for Sustainable Energy Saving/Capturing ”為題，發(fā)表在Advanced Materials上，論文第一作者為Yang Zhangbin。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過模擬優(yōu)化了氧化鋁散射體的幾何形狀，發(fā)現(xiàn)六邊形片狀結(jié)構(gòu)在背散射效率上顯著優(yōu)于球形和六棱柱形結(jié)構(gòu)（圖1）。這一結(jié)構(gòu)能有效減少光子反向散射所需次數(shù)，從而在較低填充濃度下實(shí)現(xiàn)更高的太陽能反射率。圖1a展示了PRC與PV技術(shù)融合的綠色城市概念，圖1b說明了可持續(xù)節(jié)能與捕獲的基本原理，而圖1c–g通過散射截面和背散射效率的模擬對(duì)比，驗(yàn)證了六邊形片狀氧化鋁在光學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)。

圖1. PRC與PV技術(shù)融合的概念示意圖 a) 融合PRC與PV技術(shù)的綠色城市設(shè)計(jì)概念圖； b) 可持續(xù)節(jié)能與捕獲示意圖，包括總輻照度（Itotal）、太陽輻照度（Isolar）、反射輻照度（Ireflect）、太陽能反射率（Rsolar）和長波紅外發(fā)射率（?LWIR）； c–e) 在0.5 μm波長下，不同尺寸的球形、六棱柱形和六邊形片狀散射體的散射截面模擬； f) 優(yōu)化散射體在太陽波段的背散射效率譜； g) 不同散射體背散射效率對(duì)比示意圖。

在材料制備方面，研究采用SBS/玻璃/氧化鋁層壓板，通過低溫?zé)Y(jié)（900°C）成功制備出具有彎曲結(jié)構(gòu)的LTCC材料（圖2a）。掃描電鏡和透射電鏡圖像顯示，MIL-96衍生的氧化鋁片保持了六邊形形貌，厚度約204納米，直徑約727納米，且內(nèi)部具有約15納米的介孔結(jié)構(gòu)（圖2b）。燒結(jié)后的LTCC呈現(xiàn)出均勻的多孔結(jié)構(gòu)（圖2c–e），孔隙分布峰值在400納米和3微米，有效增強(qiáng)了光散射能力。XRD分析進(jìn)一步確認(rèn)了γ-Al?O?為主要晶相（圖2g），其制備溫度低于傳統(tǒng)α-Al?O?，更具能耗優(yōu)勢(shì)。

圖2. LTCC的制備過程與形貌表征 a) 從平面SBS/玻璃/Al?O?層壓板轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鶯TCC梁的工藝流程圖； b) MIL-96衍生氧化鋁片的SEM、TEM及元素分布圖； c) 燒結(jié)后LTCC層壓板的截面SEM圖像； d) 尺寸為15×30 cm2的LTCC實(shí)物照片； e) LTCC孔隙尺寸分布的三維圖像； f) LTCC內(nèi)孔隙的體積濃度分布； g) 低熔點(diǎn)玻璃、MIL-96衍生氧化鋁片和LTCC的XRD圖譜。

光學(xué)性能測(cè)試表明，含六邊形氧化鋁片的LTCC在太陽能反射率和長波紅外發(fā)射率上均優(yōu)于球形和棱柱形氧化鋁（圖3a–c）。在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射下，該材料理論冷卻功率最高可達(dá)12.8°C的溫降（圖3b）。圖3d顯示其光學(xué)性能優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道材料，圖3e則通過光譜對(duì)比突出其在全波段的高反射與高發(fā)射特性。

圖3. LTCC的綜合光學(xué)性能 a) 不同形狀氧化鋁陶瓷的太陽能反射率、光伏波段反射率、長波紅外發(fā)射率、氧化鋁負(fù)載量和冷卻溫降對(duì)比雷達(dá)圖； b) 冷卻功率隨樣品與環(huán)境溫差的變化曲線； c) 不同傾角下陶瓷反射器對(duì)光伏表面年輻照量的模擬對(duì)比； d) LTCC與已報(bào)道PRC材料的性能對(duì)比； e) LTCC與商用陶瓷的光譜反射率對(duì)比，背景為ASTM G173標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜和大氣透明窗口。

戶外實(shí)測(cè)在揚(yáng)州進(jìn)行，LTCC在白天平均低于環(huán)境溫度2.3°C，最高達(dá)7.4°C，而商用陶瓷在強(qiáng)光下反而升溫（圖4a–b）。熱通量測(cè)量進(jìn)一步驗(yàn)證了LTCC的持續(xù)冷卻能力，平均熱損失為9.5 W/m2（圖4c–d）。此外，研究還開發(fā)了彩色雙層LTCC，在保持冷卻性能的同時(shí)滿足美觀需求。

圖4. LTCC的被動(dòng)輻射冷卻性能 a) 戶外溫度測(cè)量裝置實(shí)物圖與示意圖； b) 全天太陽輻照度、溫度及與環(huán)境溫差數(shù)據(jù)（揚(yáng)州，2024年8月24日）； c) 熱通量測(cè)量裝置實(shí)物圖與示意圖； d) 全天熱通量、太陽輻照度及與裸傳感器熱通量差值（揚(yáng)州，2024年11月30日）。

在光伏集成測(cè)試中，LTCC作為反射基底顯著提升了鈣鈦礦和硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率（圖5a–d）。戶外實(shí)驗(yàn)中，LTCC使光伏模塊在中午時(shí)段短路電流平均提升10.46 mA（圖5e–f），且在陰天條件下仍能保持性能優(yōu)勢(shì)。

圖5. LTCC的光伏性能 a,b) 鈣鈦礦和硅太陽能電池在有/無反射器下的電流密度-電壓曲線，插圖為測(cè)試裝置照片； c,d) 鈣鈦礦和硅太陽能電池在有/無反射器下的開路電壓、短路電流密度、填充因子和轉(zhuǎn)換效率雷達(dá)圖； e) 戶外光伏性能測(cè)試裝置； f) LTCC與商用陶瓷在中午時(shí)段的短路電流與太陽輻照度測(cè)量結(jié)果（揚(yáng)州，2024年9月1日）。

全球能源模擬顯示，LTCC在赤道地區(qū)年冷卻節(jié)能可達(dá)23 MJ/m2，光伏發(fā)電增量達(dá)17.6 MJ/m2（圖6a–b）。按氣候分區(qū)分析，多數(shù)地區(qū)可實(shí)現(xiàn)冷卻與光伏發(fā)電的平衡（圖6c–d）。整體來看，LTCC全球推廣后年節(jié)電量可達(dá)4.75 TWh，光伏發(fā)電增量165.12 TWh，預(yù)計(jì)年二氧化碳減排量達(dá)14.3億噸（圖6e–g）。

圖6. 模擬的年度節(jié)能與捕獲效果 a,b) 全球年冷卻節(jié)能與光伏發(fā)電增量的空間分布； c,d) 30個(gè)氣候帶下的年冷卻節(jié)能、光伏發(fā)電增量、冷熱負(fù)荷與光伏發(fā)電量； e) 全球年冷卻節(jié)能與光伏發(fā)電增量預(yù)測(cè)； f) 全球年冷熱負(fù)荷與光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)； g) 全球年二氧化碳減排量預(yù)測(cè)。

該研究通過MOF導(dǎo)向的陶瓷設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了高性能被動(dòng)輻射冷卻材料的高效、低能耗制備，兼具優(yōu)異的光學(xué)性能與環(huán)境耐久性。未來，該技術(shù)有望推動(dòng)被動(dòng)輻射冷卻材料的大規(guī)模應(yīng)用，加速全球向氣候中性基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型。

來源：高分子科學(xué)前沿

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