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东南大学赵东亮教授团队在《科学》杂志发表最新研究成果
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分类:  创建于:2023-11-13 被查看:1038次
【东大新闻网11月13日电】(通讯员 汤华杰)11月9日,东南大学能源与环境学院赵东亮教授在《科学》“Science”上发表了题为《保持太阳直射下的稳定冷却》“Staying stably cool in the sunlight”的前瞻性观点论文(Perspective)。论文针对辐射冷却材料在户外长期稳定性这一关键难题,认为陶瓷材料不仅光谱特性出色,而且拥有优异的环境稳定性,论文还从动态辐射冷却及全生命周期评价两方面对辐射冷却技术进行了评述和展望(Science 2023, 382, 644-645)。赵东亮为论文第一作者兼通讯作者,能源与环境学院博士研究生汤华杰为共同作者,东南大学为第一通讯单位。


能源危机和气候变化是21世纪人类面临的两项重要挑战。当前,制冷用电约占全球总用电量的10%。传统制冷技术在大量消耗电能的同时,也增加了温室气体排放。鉴于此,寻找并发展新型制冷技术对于节约能源、推动碳中和进程具有重要意义。天空辐射冷却是通过大气窗口波段(8-13μm)向温度约为3K的外太空辐射热量的被动式冷却技术。当材料辐射的红外热量大于吸收的太阳光能量时,就能实现日间冷却效果而无需外界能量输入。近10年,辐射冷却技术在国际国内取得了长足发展,然而,获得一种兼具良好耐候性、可靠机械强度、低成本、可大规模制备的建筑用辐射冷却材料一直是领域内的瓶颈难题。


辐射冷却建筑材料设计思路

论文从物质晶体结构出发,分析了不同类型材料在太阳光和红外波段的光学特性,介绍了米氏散射协同调控材料光谱的设计原理,并认为陶瓷(如氧化铝、二氧化硅等)材料在建筑辐射冷却领域具有良好的应用潜力。陶瓷材料通常具有较高的电子带隙,其价带上的电子无法被太阳光波段的光子激发至导带,因此在太阳光波段表现出极低的吸收特性。同时,陶瓷材料在大气窗口波段具有较高的红外辐射特性。通过米氏散射定律对陶瓷材料进行结构设计,可实现其在太阳光波段的高反射和红外波段的高发射,以达到日间辐射冷却效果。

论文还详细介绍了同期Science发表的关于陶瓷辐射冷却材料的两篇研究工作。Xinpeng Zhao等人和Kaixin Lin等人均通过烧结陶瓷颗粒—有机溶剂混合涂层的方法制备了具有高度紧凑结构的微纳多孔辐射冷却材料。两组科研人员分别通过优化氧化铝颗粒粒径和氧化铝骨架内部孔洞尺寸,实现了高太阳光反射率。而隶属于三方晶系的二氧化硅和六方晶系的氧化铝,赋予了该类材料优良的耐候性,即使在高温煅烧、紫外照射等恶劣条件下仍能维持其高太阳光反射率。在屋面应用该陶瓷辐射冷却材料后,建筑内部空调能耗相比于普通白色涂料建筑可降低26.8%。

论文最后提出,通过使用陶瓷辐射冷却材料来减少建筑碳排放的策略不能仅关注使用过程中的节能和成本效益,而应该进行全生命周期评价。此外,论文还介绍了动态辐射冷却技术的现状及发展瓶颈。动态辐射冷却技术是基于外部环境条件(温度、湿度、光照等)的变化,通过被动或主动方法调控材料太阳光及红外光谱,实现制冷或制热需求的辐射热管理技术。未来,可大规模制备、低成本的动态辐射冷却材料将会是该领域的重要研究方向之一。

赵东亮现依托东南大学碳中和科学技术研究院、长三角碳中和战略发展研究院,研究方向为新型制冷原理与技术、辐射热管理理论与应用,并通过聚焦建筑、人体等领域开展材料—器件—系统层面的学科交叉前沿研究,旨在推动取得突破性进展。自入职东南大学以来,以第一或通讯作者在Science、Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际权威期刊发表论文30余篇。论文总被引用6200余次。连续入选斯坦福大学发布的2022至2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。曾荣获2021年度“东南大学青年五四奖章”。

论文链接:https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adk9614
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