我校薛朝華教授團(tuán)隊(duì)在輻射降溫能源材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

近日，輕工科學(xué)與工程學(xué)院薛朝華教授團(tuán)隊(duì)研究成果在材料領(lǐng)域國際期刊《Applied Materials Today》上發(fā)表，題目為“Superhydrophobic porous film for daytime radiative cooling”。薛朝華教授為唯一通訊作者，博士研究生王慧迪為第一作者，陜西科技大學(xué)為第一單位和唯一通訊單位。

輻射降溫材料即使在炎熱夏天的太陽直射下仍能保持低于環(huán)境溫度而不消耗能量，展現(xiàn)出優(yōu)異的降溫效果，從而成為能源環(huán)境致冷材料研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。該材料的降溫原理主要利用材料的太陽光反射特性以及中紅外發(fā)射特性，即可通過8~13 μm之間的“大氣透明窗口”將熱量以電磁波的方式發(fā)射到寒冷的外太空。然而，該類材料在戶外環(huán)境中經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的雨水沖刷、灰塵積淀或微生物滋生之后，其降溫效果會(huì)大幅下降。

超疏水輻射降溫薄膜PVDF-HFP/PDMS的制備及性能

薛朝華教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)輻射降溫材料在戶外使用中存在的上述問題，發(fā)明了一種超疏水自清潔輻射降溫薄膜及其制備方法，利用非溶劑誘導(dǎo)相分離法使聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯/聚二甲基硅氧烷(PVDF-HFP/PDMS)復(fù)合聚合物形成具有微/納雙重粗糙結(jié)構(gòu)的三維多孔薄膜材料。利用PVDF-HFP和PDMS在中紅外區(qū)（8-13 μm）的高發(fā)射特性和膜材料內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)所提供的高反射率和高紅外發(fā)射率，結(jié)合P(VDF-HFP)和PDMS的低表面能性質(zhì)和薄膜材料表面的微納粗糙結(jié)構(gòu)賦予材料表面超疏水性能，使材料兼具輻射自降溫和自清潔功能。制備的材料放置室外一個(gè)月仍能保持優(yōu)異的輻射降溫性能，保障了降溫效果的持久性。該發(fā)明的研究實(shí)驗(yàn)由博士生柳冰瑩完成，于2019年8月21日申請(qǐng)了國家發(fā)明專利并于2021年6月15日獲批授權(quán)（ZL201910774588.9），2019年11月8日申請(qǐng)國際發(fā)明專利并于2021年2月23日獲批授權(quán)（US 10927244B1）。

超疏水輻射降溫薄膜EPDM/SiO₂的制備及性能

在上述發(fā)明的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展超疏水輻射降溫聚合物薄膜的制備方法及機(jī)理研究。博士生王慧迪通過溶劑交換法制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的三元乙丙橡膠/疏水二氧化硅(EPDM/SiO₂)有機(jī)無機(jī)復(fù)合薄膜。復(fù)合薄膜的接觸角為162°，滾動(dòng)角為1.2°；在太陽光波段的平均反射率可達(dá)96%，大氣透明窗口的平均發(fā)射率為95%。在炎熱強(qiáng)日光照射下的空氣流通環(huán)境中，該薄膜可實(shí)現(xiàn)比周圍環(huán)境平均溫度低7℃左右；在無空氣對(duì)流和傳導(dǎo)的理想條件下降溫12℃。另外，薄膜的超疏水自清潔特性使其表面避免被外界污染從而保持穩(wěn)定的降溫效果，并且復(fù)合薄膜經(jīng)酸堿鹽溶液浸泡、紫外光照射和物理摩擦后仍可以保持穩(wěn)定的超疏水性能和輻射降溫性能。該成果于2021年9月發(fā)表在材料領(lǐng)域國際期刊Applied Materials Today上。

該工作通過對(duì)聚合物材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控實(shí)現(xiàn)了輻射降溫性能和超疏水性能的協(xié)同共存，極大地延長(zhǎng)了輻射降溫材料的使用壽命，并且該材料的制備可通過溶液澆筑或涂布的方式進(jìn)行大面積生產(chǎn)，有望為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境提供有效的解決方案。該課題得到了國家自然科學(xué)基金、博士后科研基金和陜西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

附：成果詳細(xì)信息：

[1] Chaohua Xue, Bingying Liu, Huidi Wang, Shuntian Jia.Superhydrophobic and self-cleaning radiative cooling film and preparation method thereof: US 10927244 B1 [P].2021-2-23.

[2]薛朝華，柳冰瑩，王慧迪，賈順田.一種超疏水自清潔輻射降溫薄膜及其制備方法:CN 110483924B[P].2021-6-15.

[3] Hui-Di Wang,Chao-Hua Xue*, Xiao-Jing Guo, Bing-Ying Liu, Zhan-You Ji, Meng-Chen Huang, Shun-Tian Jia. Superhydrophobic porous film for daytime radiative cooling[J].Applied Materials Today2021, 24: 101100.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101100.

（核稿：劉國棟 編輯：劉倩）