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Nano Res.[单元]│中国科学院王树涛团队与中国科学院赵紫光团队:具有环境适应性的含氟双网络相分离多孔薄膜用于被动辐射冷却

本篇文章版权为唐纬溟孟雪所有,未经授权禁止转载。

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背景介绍


随着极端高温气候的频繁发生,对空调和冰箱等制冷应用的需求越来越大。然而,这些冷却应用在冷却过程中不可避免地消耗了大量的能源和资源。全球每年用于建筑制冷的能耗占总需求的10%。此外,冷却应用产生的额外热量会导致温室效应和城市热岛效应。因此,无能耗、环保的冷却技术亟待探索。被动辐射冷却被认为是一种无能耗冷却方法,这种方法既要通过大气透射窗口(8-13 μm)向外太空辐射热量,又要尽可能反射太阳光(0.3-2.5 μm)。针对于辐射冷却材料,其关键是结合特定化学键的分子水平设计和微观尺度结构设计。近年来,许多研究者通过设计太阳光谱高反射率、大气透射窗高发射度的光谱选择性光子结构,实现了被动辐射冷却功能。其中,多孔基含氟聚合物不仅具有在大气透明窗处振动的化学键,而且具有聚合物与空气之间的折射率差异用于产生阳光散射。多孔基含氟聚合物的制备主要采用溶剂诱导相分离的方法。然而,在单氟网络形成过程中,溶剂挥发不可避免地导致孔的缺陷,从而导致力学性能低以及太阳光谱反射率不足。此外,单氟多孔网络的环境适应性限制了被动辐射冷却的应用。因此,迫切需要开发一种集高性能被动辐射冷却和环境适应性于一体的薄膜材料。


成果简介


中科院理化所王树涛研究员团队与国科大赵紫光副教授团队通过利用含氟双网络的相分离聚合体系实现了具有环境适应性的优异辐射冷却性能的多孔薄膜材料。通过引入聚1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯(PHFMA)和聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))来构建含氟双网络相分离多孔薄膜。在双氟网络形成过程中,P(VDF-HFP)在去溶剂过程中发生物理缠结,在紫外光作用下发生PHFMA网络聚合。随着双氟网络的形成,丙酮的快速挥发导致双氟网络与水相分离,微滴被限制在双氟网络中。水分蒸发后,气孔在双氟网中均匀分布,微孔结构得到很好的保留。高孔隙结构导致的双氟网络与气孔之间的折射率差异对太阳光(0.3 ~ 2.5 μm)产生有效散射,双氟网络的C-C、C-F和C-H键的分子键振动在大气透射窗口(8 ~ 13 μm)内提供了高强发射。与散射效率有限的含氟单网络多孔网络相比,我们调制了含氟双网络相分离多孔薄膜的结构并且实现了95.2% (8-13 μm)的强发射率和97.1% (0.3-2.5 μm)的高反射率。在770 W m-2的光照功率下,薄膜的温度下降10.5°C,平均冷却功率为81 W m-2。含氟双网络相分离多孔薄膜具有良好的力学性能和环境适应性。其具有显著的辐射冷却能力和较强的环境适应性,在辐射温度调节方面具有广阔的应用前景。


图文导读


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图1 含氟双网络相分离多孔薄膜的设计与功能。通过引入聚1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯(PHFMA)和聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))来构建含氟双网络相分离多孔薄膜。其通过对阳光高散射和大气窗口高发射率实现被动冷却效果。


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图2含氟双网络相分离多孔薄膜及对比样品的孔隙表征


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图3含氟双网络相分离多孔薄膜的力学性质和环境适应性


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图4含氟双网络相分离多孔薄膜的光学性质和理论计算


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图5含氟双网络相分离多孔薄膜被动辐射冷却性能的实验论证


作者简介


文章的通讯作者为理化所/国科大王树涛研究员和赵紫光副教授,第一作者是理化所博士生唐纬溟,理化所高级工程师李永和国科大研究生孟雪。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部的大力支持。


文章信息


Tang W, Li Y, Meng X, et al. Environment-adaptive phase-separation-porous fluorofilm for high-performance passive radiation cooling. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6420-0.



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