Dauerhafte Strahlungskühlung gegen umweltbedingte Alterung

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4805 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Im Kampf gegen die globale Erwärmung bietet die Strahlungskühlungstechnologie unterhalb der Umgebungstemperatur tagsüber einen vielversprechenden Weg zur Erreichung nachhaltiger Entwicklungsziele. Um tagsüber eine Strahlungskühlung unterhalb der Umgebungstemperatur zu erreichen, ist die Reflexion des größten Teils des Sonnenlichts die wesentliche Voraussetzung. Der gewünschte hohe solare Reflexionsgrad wird jedoch leicht durch Umweltalterung gedämpft, vor allem durch natürliche Verschmutzung und ultraviolette Strahlung durch Sonnenlicht, was bei den meisten Polymeren zu einer gelblichen Farbe führt und die Kühlung unwirksam macht. Wir demonstrieren eine einfache Strategie zur Verwendung von Titandioxid-Nanopartikeln mit UV-Beständigkeit, die durch verdampfungsgesteuerte Anordnung eine hierarchische poröse Morphologie bilden, die einen ausgewogenen Schmutzschutz und ein hohes Sonnenlichtreflexionsvermögen garantiert und so Anti-Aging-Beschichtungen auf der Basis von Kühlfarben ergibt. Wir testen die Kühlbeschichtungen in einem beschleunigten Bewitterungstest gegen simulierte 3 Jahre natürliche Verschmutzung und simulierte 1 Jahr natürliche Sonneneinstrahlung und stellen fest, dass die Sonnenreflexion im Vergleich zu den nicht gealterten Beschichtungen nur um 0,4 % bzw. 0,5 % abnahm. Darüber hinaus zeigen wir eine Alterung von über 6 Monaten unter realen Bedingungen, bei der die Kühlleistung kaum nachlässt. Unsere Anti-Aging-Kühlfarbe ist skalierbar und kann auf die gewünschte Außenarchitektur und den gewünschten Container aufgesprüht werden. Sie bietet eine dauerhafte Strahlungskühlung, die für reale Anwendungen vielversprechend ist.

Unsere Welt scheitert daran, das 1,5 °C-Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen, weil die globalen Treibhausgasemissionen immer noch in die Höhe schnellen1. Wenn keine dringenden Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen ergriffen werden, werden einige Teile der Welt bis zum Ende dieses Jahrhunderts für Menschen nahezu unbewohnbar sein2. Heutzutage stammen mehr als 10 % der Treibhausgasemissionen aus der konventionellen Raumkühlung und Kühlung3. Da die Welt wärmer wird, werden weltweit jede Sekunde mehr als 13 neue Kühlgeräte installiert, was zu mehr Treibhausgasemissionen und ozonschädigenden Substanzen führt und die globale Erwärmung verschärft4. Um dieser destruktiven Rückkopplungsschleife entgegenzuwirken, bietet die SDRC-Technologie (Subambient Daytime Radiative Cooling) einen vielversprechenden Weg. Dies wird durch ein dem Himmel zugewandtes Objekt realisiert, das den größten Teil des Sonnenlichts reflektiert (innerhalb einer Wellenlänge von 0,3 bis 2,5 µm) und durch das atmosphärische Transparenzfenster (innerhalb einer Wellenlänge von 8–13 µm) stark langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) in das kalte Universum aussendet. 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Auf diese Weise kann das Objekt ohne Energieaufwand und ohne Treibhausgasemissionen passiv unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden.

Der Kern von SDRC liegt in der hohen Sonnenreflexion (R̅solar ≥ 0,9), da nur wenige Prozent der Sonnenabsorption die Oberfläche effektiv erwärmen können, selbst wenn sie eine perfekte LWIR-Emission aufweist, d. h. \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Abb. 1a). Dieser unerlässliche hohe R̅solar wird jedoch sehr wahrscheinlich zurückgehen, was diese Technologie unwirksam macht, nachdem die SDRC-Materialien nur mehrere Monate lang der natürlichen Umgebung im Freien ausgesetzt waren, was im Wesentlichen auf die natürliche Umweltalterung zurückzuführen ist22. Obwohl SDRC-Fähigkeit in idealen Szenarien durch verschiedene Materialien, wie nanophotonische Dünnfilme5, mit Metallspiegeln hinterlegte Polymer-Dielektrikum-Verbundwerkstoffe7, Polymer-Nanotextilien19,23,24, Nanozellulose11 und poröse Polymerbeschichtungen9,17,18, nachgewiesen wurde, waren dies diese Materialien selten im Hinblick auf umweltbedingte Alterung bewertet, hauptsächlich natürliche Verschmutzung und UV-Strahlung durch Sonnenlicht22. Unter anderem sind die meisten Polymere für SDRC, auch wenn der durch natürliche Verschmutzung verursachte Verdunkelungseffekt nicht berücksichtigt wird, nicht beständig gegen langfristige UV-Belastung, was zu einem gelblichen Aussehen führt, das den R̅solar25 verringert. Während die poröse Beschichtung auf Fluorpolymerbasis für SDRC UV-beständig ist9,26, begrenzt ihre mäßige hydrophobe Natur die schmutzabweisende Wirkung27. Um SDRC zu realen Anwendungen mit langfristiger Haltbarkeit voranzutreiben, sind daher neben außergewöhnlichen optischen Eigenschaften auch eine hervorragende Verschmutzungs-/UV-Beständigkeit äußerst wünschenswert, die zusammen mit einer einfachen Herstellung und Skalierbarkeit in Form von Beschichtungen auf Lackbasis bevorzugt wird.

a Nettokühlleistung als Funktion der Umgebungstemperatur für verschiedene R̅solar. Die theoretische Berechnung basiert auf einer stationären Wärmeübertragungsbilanzanalyse (Einzelheiten in der Methode). Eine Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur ist schwierig zu erreichen, wenn R̅solar < 0,9, selbst wenn das Material ein perfektes \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) hat. b Die Streueffizienz eines einzelnen kugelförmigen TiO2-Partikels als Funktion des Partikeldurchmessers über einen Wellenlängenbereich von 0,3 bis 2,5 µm in verschiedenen Streumedien. c Simulierte Reflexionskurven und resultierende R̅solar-Werte als Funktion der Packungsdichte (ϕ) von TiO2-Nanopartikeln (NPs) für einen Film mit einer Dicke von 2 µm. Der abnehmende Trend des Reflexionsgrads im gestrichelten Kreis ist auf den abhängigen Streueffekt durch die Partikelansammlung zurückzuführen. d Beziehung zwischen dem scheinbaren Wasserkontaktwinkel (θapp) und dem intrinsischen Young-Kontaktwinkel (θY) von TiO2-Oberflächen. e Voraussichtlicher R̅solar und θapp als Funktion von ϕ, resultierend aus f der drei vorgeschlagenen Regime: I, II und III. Ein Kompromiss zwischen R̅solar und θapp macht Regime II zum Designziel, um gleichzeitig hervorragende Strahlungskühlungs- und Schmutzschutzleistungen zu erzielen. Der Grad der abhängigen Streuung erhöht die Komplexität bei der Vorhersage der Variation von R̅solar, wenn ϕ hoch ist. Daher zeigt die gestrichelte Linie der Datenkurve des Sonnenreflexionsvermögens in e nur einen möglichen Variationstrend an.

In dieser Arbeit demonstrieren wir als Reaktion auf die oben genannten gewaltigen Anforderungen eine Beschichtung auf der Basis von Anti-Aging-Kühlfarben (AACP), die eine durch Verdunstung gesteuerte, hierarchisch poröse Morphologie aufweist, die aus hydrophoben Nanopartikeln (NPs) aus Titandioxid (TiO2) besteht. Sie weisen hervorragende Kühleigenschaften auf, selbst nachdem sie beschleunigten Bewitterungstests mit simulierter 3-jähriger natürlicher Verschmutzung, simuliertem 1-jährigem natürlichem Sonnenschein und über 6-monatiger Alterung unter realen Bedingungen ausgesetzt wurden. Unser AACP ist eine Suspension, die in skalierbarer Weise auf verschiedene Substrate gesprüht und aufgetragen werden kann, was für kommerzielle Anwendungen vielversprechend ist.

Wir haben das AACP auf der Grundlage von drei Kriterien entwickelt: (1) Das Material muss grundsätzlich gegen UV-Strahlung beständig sein, (2) die abgeleitete Beschichtung muss einen R̅solar ≥ 0,9 aufweisen und (3) die Beschichtungsoberfläche muss in der Lage sein, die Ansammlung von Substanzen zu reduzieren ( z. B. übliche Verschmutzungen). Um das erste Kriterium zu erfüllen, haben wir uns entschieden, in unserer Formulierung keine Polymerbindemittel zu verwenden, da die meisten gängigen Polymere auf UV-Licht reagieren und nach längerer UV-Einwirkung gelblich werden25. Stattdessen verwendeten wir TiO2-NPs vom Rutiltyp, um poröse Beschichtungsschichten zu bilden. TiO2-NPs sind starke Lichtstreuer (Brechungsindex \({n}_{{{{{{\rm{Ti}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{ 2}}\) ≈ 2,7), wird häufig als UV-Abschwächungskomponente verwendet, ist kommerziell erhältlich und kostengünstig28. Obwohl TiO2 seit den 1970er Jahren für die Strahlungskühlung am Tag untersucht wird, ist sein praktischer Wert aufgrund der mangelnden Fähigkeit, eine Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur unter direktem Sonnenlicht zu realisieren, sehr begrenzt29. Eine Strahlungskühlung unterhalb der Umgebungstemperatur unter direktem Sonnenlicht auf der Basis von TiO2 wurde erst kürzlich durch die Zugabe von fluoreszierenden Partikeln für verbessertes R̅solar und Silica-Mikrokügelchen für höhere \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}} realisiert. }}}}\)30, wodurch eine Strahlungskühlfarbe auf TiO2-Basis mit höherer Komplexität entsteht. Herkömmlicherweise wurde angenommen, dass die UV-Absorption von TiO2-NPs und die Absorption im nahen Infrarot (NIR) üblicher Polymerbindemittel einen nachteiligen Einfluss auf lackbasierte Beschichtungen haben, um einen R̅solar > 0,931 zu erreichen. Wir stellen jedoch fest, dass der Energieanteil im UV-Bereich (Wellenlänge 0,28 bis 0,4 µm) nur 4,5 % des gesamten Sonnenspektrums ausmacht (ergänzende Abbildung 1). Daher können wir die UV-Absorption kompensieren, indem wir die NIR-Absorption unterdrücken, indem wir das Polymer durch eine luftbildende poröse Morphologie ersetzen. Und wir stellen fest, dass der Brechungsindex von Luft (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) niedriger ist als der von gewöhnlichem Polymerbindemittel (\( {n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) ≈ 1,5)32. Nach dem Snelliusschen Gesetz führt ein großer Unterschied im Brechungsindex zwischen zwei verschiedenen Medien zu einer starken Lichtbrechung. Daher sollten TiO2-NPs in Luft das Licht stärker streuen als in Polymeren. Um diese optische Eigenschaft theoretisch weiter zu bewerten, haben wir die Streueffizienz (Qsca) eines einzelnen kugelförmigen TiO2-Partikels als Funktion des Partikeldurchmessers über das Sonnenspektrum basierend auf der Mie-Theorie numerisch berechnet (Details unter Methoden). Wir verglichen den Qsca von TiO2-Partikeln im umgebenden Medium Luft oder Polymer mit voreingestellten Brechungsindizes (\({n}_{{{{{{\rm{Luft}}}}}}}\) = 1 und \( {n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1,5). Wir fanden heraus, dass innerhalb des Sonnenspektrums ein einzelnes TiO2-Partikel das Sonnenlicht in Luft stärker streuen kann als in Polymer (Abb. 1b). Empirisch entspricht die Größe von R̅solar der Gesamtgröße der TiO2-NP-Streuung, die durch die Anzahl der Luft/Partikel-Grenzflächen bestimmt wird, die das Licht durchquert. Daher sollte für Beschichtungen gleicher Dicke, die aus TiO2-NPs gleicher Größe bestehen, eine hohe Packungsdichte (ϕ) der NPs, was eine große Anzahl von Luft-Partikel-Grenzflächen bedeutet, in der Lage sein, die zweite Anforderung (R̅solar ≥ 0,9) zu erfüllen. Wir stellen jedoch fest, dass die Ansammlung von TiO2-NPs zu einer abhängigen Streuung führt, die zu einer Verringerung der Streueffizienz führt, im Gegensatz zur unabhängigen Streuung, bei der der Abstand zwischen den streuenden Partikeln groß genug ist, um den Streueffekt durch die Anwesenheit benachbarter Partikel zu ignorieren33 . Dieses Phänomen ist bei einer dünnen Beschichtung aus NPs mit hoher Packungsdichte offensichtlich und wird durch Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulationen (FDTD) bestätigt (Abb. 1c). Um diesen nachteiligen Streueffekt zu kompensieren, können wir in der Praxis eine dicke Beschichtung aus Partikeln mit breiter Größenverteilung herstellen, um die Gesamtstreuleistung zu erhöhen (ergänzende Abbildung 5). Dennoch führt eine kontinuierliche Erhöhung des ϕ von TiO2-NPs möglicherweise nicht zu einem höheren R̅solar, wie intuitiv erwartet. Mit anderen Worten: Wir sollten in der Lage sein, ein hohes R̅solar zu erreichen, wobei ϕ im mittleren Bereich liegt, weder sehr niedrig noch sehr hoch.

Um das letzte Kriterium der Fähigkeit, die Ansammlung von Substanzen zu reduzieren, zu erfüllen, streben wir eine geringe Oberflächenadhäsionskraft durch Nichtbenetzbarkeit an27,34,35. Dabei basiert die maßgebliche Gleichung auf dem Cassie-Baxter-Modell (Ergänzende Abbildungen 2, 10 und 11), dh cos θapp = f (1 + cos θY) −1, wobei θapp der scheinbare Kontaktwinkel und θY der Young-Winkel ist Kontaktwinkel und f der Flüssig-Fest-Kontaktanteil (Details unter Methoden). Wie in Abb. 1d gezeigt, beträgt θY einer makellosen, flachen, glatten TiO2-Oberfläche nur ~1°. Um den kritischen Wert für die nichtbenetzende Oberfläche, 150° von θapp, zu erreichen, ist f < 10 % erforderlich, was für eine skalierbare praktische Anwendung eine große Herausforderung darstellt. Eine fluorierte, flache, glatte TiO2-Oberfläche hat einen θY-Wert von ~120°, dann erhöht sich der kritische Wert von f auf ~0,3, um einen θapp ≥ 150° zu erreichen und Nichtbenetzbarkeit zu erreichen, was eine poröse Oberflächentopologie zu einem potenziellen Kandidaten macht.

Zuvor wurde die Nichtbenetzbarkeit durch die Konstruktion einer hierarchischen Oberflächenmorphologie aus zufällig gepackten fluorierten TiO2-NPs36 erreicht. Allerdings kann die bloße Optimierung der Oberflächenmorphologie unser Ziel nicht erreichen, nämlich die oben genannten drei Kriterien gleichzeitig zu erfüllen: UV-Beständigkeit, hoher R̅solar und hohe Nichtbenetzbarkeit. Daher müssen neben der Oberflächenmorphologie auch die Massenmorphologie und die damit verbundenen optischen und Benetzungseigenschaften insgesamt berücksichtigt werden, um eine dauerhafte Strahlungskühlungsleistung zu erzielen. Wir gehen davon aus, dass die Oberfläche und die Masse der Beschichtung eine ähnliche Morphologie aufweisen, sodass die Größe von f in direktem Verhältnis zur Größe von ϕ stehen sollte (ergänzende Abbildung 6). Aus der Perspektive der qualitativen Analyse schlagen wir daher vor, dass die Größe von ϕ und f zu drei unterschiedlichen Regimen führt, wie in der schematischen Abbildung 1e dargestellt, und gehen davon aus, dass R̅solar und θapp als Funktion der Packungsdichte der TiO2-NPs (ϕ) variieren ), die sich aus diesen drei Regimen ergeben. Jedes Regime weist einen charakteristischen Satz von R̅solar und θapp auf, der dem in Abb. 1f dargestellten Schema mit hypothetischem Lichtweg und Flüssigkeits-Feststoff-Kontaktgrenzfläche entspricht. Im Regime I führt der niedrige ϕ zu einer relativ schwachen Lichtstreuung, sodass das Licht eine lange Weglänge hat, tief in die Beschichtung eindringt, das Substrat erreichen kann, was zu einer Lichtdurchlässigkeit führt. Gleichzeitig führt das niedrige f zu θapp > 150°, was auf eine gute Nichtbenetzbarkeit hinweist. Im Regime III ist das Szenario genau umgekehrt. Das hohe ϕ führt zu einer starken Lichtstreuung, einer kurzen Weglänge und damit zu einer geringen Eindringtiefe, wodurch das Licht relativ schnell umgelenkt wird. Der hohe f führt zu θapp < 150°, was auf eine mäßige Hydrophobie hinweist, die sich nicht positiv auf den Zweck der Verschmutzungsbekämpfung auswirkt. Daher wird Regime II als Entwurfsziel bevorzugt, um die gewünschten hohen R̅solar- und θapp-Werte auszugleichen.

Ausgehend von diesen Prinzipien haben wir AACP entwickelt, indem wir TiO2-NPs mit einer Größenverteilung um 0,3 µm ausgewählt haben. Diese breite Größenverteilung ist nicht nur für TiO2-NPs nützlich, um das Licht innerhalb des Sonnenspektrums durch die kollektive Wirkung von Mie-Resonanzen stark zu streuen (Abb. 2a, ergänzende Abb. 5), sondern auch hilfreich, um Mikro-/Nanorauheit für robuste Nicht-NPs zu erhalten. Benetzbarkeit36. Wir haben die TiO2-NPs und Perfluoroctyltrichlorsilan (PFOTS) in Ethanol gemischt, um eine AACP-Suspension zu erzeugen. Wir haben diese Suspension tropfenweise auf das Substrat verteilt und das Ethanol verdampfen lassen, um eine gleichmäßige Beschichtungsschicht zu bilden (Einzelheiten unter „Methoden“). Wie in Abb. 2b dargestellt, zeigt die Beschichtung, dass sich TiO2-NPs auf zwei Längenskalen anordnen und Mikro-/Nanorauheit bilden. Ultrakleine Röntgenstreuung (USAXS) wurde implementiert, um die Massenmorphologie der Beschichtung zu charakterisieren, die eine hierarchische poröse Natur zeigt und Luftporen mit zwei unterschiedlichen Längenskalen bei ~ 110 und 350 nm aufweist (Einzelheiten in Methoden) (ergänzende Abbildung 7). PFOTS (Abb. 2c) wurde durch Silanisierung auf die Oberfläche von TiO2-NPs gepfropft, was durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) als unscharfe äußere Schicht dargestellt wurde (Abb. 2d). Die Silanisierungsreaktion fügt nicht nur eine Fluoridkomponente hinzu, die die Oberflächenenergie der AACP-Beschichtung senkt, sondern erhöht auch deren Emission innerhalb des atmosphärischen Transparenzfensters aufgrund der kollektiven Streckschwingungen von Kohlenstoff-Fluor (C − F), Kohlenstoff-Kohlenstoff (C − C). ), Silizium-Sauerstoff- (Si − O) und Silizium-Sauerstoff-Silizium-Bindungen (Si − O − Si) zwischen 7 und 10 µm (Abb. 2e und f und ergänzende Abb. 8)37. Wir haben die optischen und Benetzungseigenschaften der AACP-Beschichtung als Funktion der Packungsdichte der TiO2-NPs (ϕ von 0,33 bis 0,53) bewertet, dargestellt in Abb. 2g. R̅solar steigt bei dichter Packung von TiO2-NPs auf ~0,94, während \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) (~0,97) unempfindlich gegenüber ist die Variation von ϕ. Da die Variation von θapp, die von 158° auf 153° abnimmt, im Vergleich zu den großen Kontaktwinkeln nicht signifikant ist, haben wir ergänzend den Roll-off-Winkel (θroll) gemessen38, der einen steigenden Trend von 1,2° auf 4,0° zeigt. Wir stellen fest, dass diese Ergebnisse mit unseren in Abb. 1e gezeigten Erwartungen übereinstimmen und einen Bereich von ϕ um 0,45 ergeben, um optimale optische Eigenschaften und Benetzungseigenschaften zu gewährleisten. Insbesondere mit ϕ ≈ 0,45 sind wir in der Lage, routinemäßig eine superabweisende AACP-Beschichtung mit R̅solar = 0,93 ± 0,02 und \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}} herzustellen. }}}\) = 0,97 ± 0,01 auf hoch reproduzierbare Weise. Und wir haben diese hervorragenden optischen Eigenschaften mit einer Beschichtungsdicke von nur etwa 100 µm realisiert, was viel dünner ist als die polymere SDRC-Beschichtung, die normalerweise >300 µm9 beträgt (ergänzende Abbildung 9). Durch die Verwendung der schrittweisen Heizmethode erreichten wir eine Kühlleistung von 84,9 ± 14,8 W m-2 bei starker Sonneneinstrahlung (Isolar) von 920 W m-2 (ergänzende Abbildung 13). Und durch die Verwendung der Close-Tracking-Heizmethode erreichten wir bei starkem Sonnenschein von 11 bis 16 Uhr eine Kühlleistung von etwa 95 W m-2 (ergänzende Abbildung 14).

eine Größenverteilung der TiO2-NPs (charakterisiert durch dynamische Lichtstreuung) und die berechnete Streueffizienz (Qsca) als Funktion der Partikelgröße und der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die starken Streupeaks von Partikeln unterschiedlicher Größe decken das gesamte Sonnenspektrum ab und begünstigen ein hohes solares Reflexionsvermögen (R̅solar). b Rasterelektronenmikroskopisches Bild, das die AACP-Beschichtungsoberfläche zeigt, die aus TiO2-NPs besteht, die Mikro-/Nanorauheiten bilden. c Ein Drahtmodell, das die Struktur von PFOTS zeigt. d TEM-Bild, das die auf die Oberfläche von TiO2 NP aufgepfropfte Fluoridkomponente zeigt. Das Fourier-Transformations-Infrarot-Absorptionsspektrum zeigt die C-F-Streckschwingung zwischen 7,35 und 10 µm aufgrund der Fluorierung, was zu einer hohen Emission der AACP-Beschichtung im entsprechenden Wellenlängenbereich führt. g R̅solar, \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp und θroll als Funktion der Packungsdichte (ϕ) der TiO2-NPs. Der schattierte Bereich stellt einen Bereich von ϕ für optimale optische und Benetzungseigenschaften dar.

Es wird angenommen, dass eine der erfolgreichsten Anwendungen von AACP die Verwendung als kühles Dachmaterial ist. Die reale Alterung kühler Dachmaterialien umfasst hauptsächlich Verschmutzung und Witterungseinflüsse. Verschmutzung entsteht hauptsächlich durch die Ablagerung von Ruß, Staub, partikulärer organischer Substanz (POM) und mikrobiellem Wachstum in der Luft. Die Verwitterung erfolgt hauptsächlich durch die Einwirkung der UV-Strahlung des natürlichen Sonnenlichts, begleitet von Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen bei Tag und Nacht. Es dauert ziemlich lange, normalerweise mehrere Jahre, bis die Dachmaterialien einen quasistationären Zustand von R̅solar und \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}} erreichen. }}}\)39. Um die Anti-Aging-Leistungen des AACP quantitativ zu bewerten, haben wir daher beschleunigte Verschmutzungs- und Witterungstests auf der Grundlage des ASTM D7897-18-Standards durchgeführt (Einzelheiten unter „Methoden“), der speziell zur Simulation natürlicher umweltbedingter Alterungseffekte auf R̅solar und \( {\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) von Dachmaterialien in beschleunigter Weise, was 3 Jahren natürlicher Verschmutzung und 1 Jahr natürlichem Sonnenschein in Florida entspricht40 . Nach diesem Standard (ergänzende Abbildung 16) haben wir verschmutzt (Mischung aus Ruß, Staub, POM und Salzen) und verwittert (4 Stunden simulierter Regen bei 50 °C, 8 Stunden UV mit 0,89 W m−2 bei 340 nm und 60 °C) die Beschichtungsproben und maß anschließend den R̅solar. Wir fanden heraus, dass der R̅solar der AACP-Beschichtung im Vergleich zur unverschmutzten Beschichtung nur um 0,4 % abnahm (von 0,930 auf 0,926). Im Vergleich dazu sank der R̅solar einer hochreflektierenden weißen Farbbeschichtung um 9,0 % (von 0,866 auf 0,788, Abb. 3a). Die Verringerung von R̅solar für weiße Farbe mag akzeptabel erscheinen. Wie wir jedoch bereits zuvor betont haben (siehe Abb. 1a), muss R̅solar zur Realisierung von SDRC ≥ 0,9 sein, was in den Temperaturmessungen dieser Beschichtungsproben unter starkem Isolar von 915 W m−2 deutlich wird (Abb. 3b, Peak Isolar > 1000 W m−2, Ergänzende Abbildungen 17 und 18). Um reale Betriebsbedingungen nachzubilden, wurden alle Feldtests ohne Windschutzscheibenabdeckung durchgeführt. Wir haben den Temperaturunterschied (ΔT) zwischen der Beschichtungsprobe (Tsamp) und der Umgebungsluft (Tair) aufgezeichnet, wobei ΔT = Tsamp − Tair. Die ΔT der weißen Farbbeschichtung stieg nach der Verschmutzung von 0,3 auf 4,7 °C. Selbst die poröse Fluorpolymerbeschichtung als hochmodernes SDRC-Material kann aufgrund der mäßigen Hydrophobie ihre Kühlfähigkeit gegenüber diesem Verschmutzungstest nicht beibehalten (Ergänzende Abbildungen 19 und 20). Unterdessen stieg die \(\triangle T\) unserer AACP-Beschichtung lediglich von −3,8 auf −3,5 °C, was kaum Auswirkungen auf die Kühlleistung hatte. Zusätzlich haben wir viskosen Schlamm als ultraschweres Verschmutzungsmittel auf die AACP-Beschichtung getropft, um seine hervorragende Fähigkeit zu zeigen, die Ansammlung von Schmutzstoffen zu reduzieren (Abb. 3c, ergänzende Abbildung 21, ergänzender Film 1). Der beschleunigte Bewitterungstest wurde mit 1000 Stunden UV-Bestrahlung bei 60 °C durchgeführt (Abb. 3d), was einem Jahr natürlicher Sonneneinstrahlung in Florida entspricht39. Aufgrund der UV-Beständigkeit von TiO2-NPs und starken CF-Bindungen in PFOTS sank der R̅solar der AACP-Beschichtung nur um 0,5 % des ursprünglichen Wertes (von 0,925 auf 0,920). Die \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp und θroll blieben nahezu unverändert. Zum Vergleich: Der R̅solar einer weißen Farbbeschichtung sank um 5,4 % (von 0,856 auf 0,810), der \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}} \) sank um 2,3 % (von 0,944 auf 0,922) (ergänzende Abbildung 23).

ein R̅solar nach beschleunigtem Verschmutzungstest basierend auf der Norm ASTM D7897-18, was 3 Jahren natürlicher Verschmutzung entspricht. Die verschmutzte AACP-Beschichtung zeigte im Vergleich zur unverschmutzten Beschichtung ein nahezu intaktes R̅solar. Einschübe zeigen visuelle Darstellungen der Beschichtungsproben vor und nach der Verschmutzung. b Messungen der Beschichtungstemperatur zeigen eine hervorragende schmutzabweisende Leistung der AACP-Beschichtung (23. August 2021, Chengdu). c Viskoser Schlamm tropfte und floss von der AACP-Beschichtung ab und zeigte eine hervorragende Selbstreinigungsfunktion. d Die nahezu unveränderten optischen und Benetzungseigenschaften der AACP-Beschichtung nach 1000 Stunden UV-Exposition (0,89 W m−2 bei 340 nm und 60 °C), entsprechend 1 Jahr natürlichem Sonnenschein in Florida.

Im Gegensatz zur simulierten Alterung ist die Alterung in der realen Welt komplexer. Verschmutzung und Witterung wirken synergetisch und fördern den Alterungsverlauf39. Um die Einschränkungen der simulierten Alterung auszugleichen, führten wir eine mehr als sechsmonatige Außenbewitterung in Chengdu (feuchtes und heißes Klima) und Xi'an (trockenes und heißes Klima) in China durch, um die Haltbarkeit der Beschichtungen im Vergleich zur realen Alterung zu testen (Abb. 4a, b und ergänzende Abb. 25). Alle beschichteten Objektträger wurden in drei Bereiche aufgeteilt: unbelichtet/(belichtet, gewaschen)/(belichtet, ungewaschen). Der \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) aller Proben hatte nur eine geringe Abnahme. Für die weiße Farbbeschichtung betrug der R̅solar der drei Regionen 0,832/0,769/0,725, was einem Rückgang von 7,6 % bzw. 12,9 % entspricht. Bemerkenswerterweise betrug der Rückgang unseres AACP nur 0,4 % und 1,7 % (0,931/0,927/0,915). Was die selbstreinigenden Eigenschaften von AACP-Beschichtungen betrifft, so blieb θapp nach der Alterung über 150° und θroll unter 5°.

a Fotos und b die optischen und Benetzungseigenschaften des AACP und der weißen Farbbeschichtung nach 6 Monaten Außenbewitterung (Chengdu, 30°40'36''N, 104°6'28''E, vom 25. April bis 10. November 2021). ). Wir untersuchten die optischen und Benetzungseigenschaften der Beschichtungen gegen Umweltalterung, indem wir den Beschichtungsträger (5 × 15 cm) in drei Bereiche unterteilten: unbelichtet/(belichtet, gewaschen)/(belichtet, ungewaschen). c Demonstration der Sprühbeschichtung und d AACP-beschichtete Außenwandfliesen (40 × 80 cm). Eingefügt ist ein Infrarotbild, das den Temperaturabfall der AACP-beschichteten Fliese zeigt (29. Oktober 2021, Guangzhou, China). Die AACP-beschichtete Blechdose (47 × 32 × 32 cm) diente als Proof-of-Concept und demonstrierte SDRC. Die gemittelte Isolar betrug 945 W m−2 (Spitzenisolar > 1000 W m−2). Einschübe zeigen den Aufbau der Temperaturmessung und das optische Erscheinungsbild der Blechdosen. Für AACP-beschichtete Blechdosen gilt ΔT ≈ −5,2 °C (25. Mai 2021, Chengdu).

Wir haben die mechanische Stabilität der AACP-Beschichtungen weiter verstärkt, indem wir die Strategie „Farbe + Klebstoff“ angewendet haben (ergänzende Abbildung 26) 36, 41. Eine Klebstoffschicht verbindet die AACP-Beschichtung fest mit dem Substrat und sorgt so für Robustheit gegenüber Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl, Klebebandablösung, Sandfallabrieb und Kratztest (ergänzende Abbildungen 27–30, ergänzende Tabelle 2 und ergänzender Film 3). Unsere AACP-Formulierung kann im Tropfen-/Tauchverfahren auf verschiedene Substrate gesprüht werden, beispielsweise auf die Außenwand eines Gebäudes (Abb. 4c), auf Glas, Metall, Holz und Kunststoff. Wir stellen fest, dass unabhängig vom Substratmaterial hervorragende R̅solar-Werte (~0,92) erzielt werden können (Ergänzungsabbildung 32 und Ergänzungstabelle 3), was unser AACP ideal für Dachmaterialien im Außenbereich macht. Konkret haben wir ein halbes Dutzend AACP-beschichteter Außenwandfliesen hergestellt, um die Kühlleistung auf skalierbare Weise zu demonstrieren (Abb. 4d, ergänzende Abbildungen 33 und 34, ergänzender Film 4 und 5). Darüber hinaus haben wir als Proof-of-Concept mittags die Innenlufttemperatur der AACP-beschichteten Blechbox gemessen, um ihr großes Potenzial als kühles Dachmaterial zu zeigen (Abb. 4e).

Zusammenfassend demonstrieren wir eine Strategie zur Realisierung einer dauerhaften Strahlungskühlungsbeschichtung gegen raue Umweltalterung in Form von Farbe, nämlich Anti-Aging-Kühlfarbe (AACP), durch verdampfungsgetriebene zusammengesetzte TiO2-NPs. Unser AACP unterscheidet sich grundlegend von bestehenden Strahlungskühlungsmaterialien, die mit Hydrophobie ausgestattet sind (Ergänzungstabelle 4): Das Fehlen von Polymerbindemitteln in den Beschichtungen umgeht nicht nur das UV-Degradationsproblem vollständig, sondern führt auch zu einem viel größeren Unterschied im Brechungsindex zwischen TiO2 und Luft im Vergleich zu den porösen polymeren SDRC-Materialien, was die Fähigkeit der Lichtstreuung erheblich verbessert und es uns so ermöglicht, einen kontraintuitiv hohen R̅solar mit einer viel dünneren Beschichtung zu erhalten; Die hierarchische Morphologie, die durch durch Verdunstung bedingte zusammengesetzte fluorierte TiO2-NPs gebildet wird, besitzt eine selbstähnliche Eigenschaft, die eine dauerhafte Selbstreinigungsfunktion gegen Alterung im Freien gewährleistet. Die daraus resultierenden optischen und Anti-Aging-Leistungen bei einfacher Herstellung, hervorragender Skalierbarkeit und Kosteneffizienz (Ergänzungsabbildung 36, Ergänzungstabelle 5) können mit bestehenden Ansätzen, die reflektierende Substrate, mehrschichtige Architekturen oder komplizierte Nachmodifikationen umfassen, nicht erreicht werden bestehende Strahlungskühlungsmaterialien, insbesondere wenn Skalierbarkeit eine gewünschte Eigenschaft ist. Die weitere Erforschung dieser Strategie zur Implementierung anorganischer NPs kann auf eine breite Palette von Materialien ausgeweitet werden (ergänzende Abbildung 35), wie Kalziumkarbonat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Bariumsulfat und andere Farbpigmente, die den visuellen Komfort gewährleisten und den SDRC in Richtung drängen die realen Anwendungen.

1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan (PFOTS), Titandioxid (TiO2)-Nanopartikel (NPs) vom Rutiltyp (Ergänzende Abbildung 3), Mangandioxid (MnO2)-Partikel, Ruß, Eisenoxid (Fe2O3), Huminsäure ( HAc), Natriumchlorid (NaCl), Natriumnitrat (NaNO3), Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO4 ∙ 2H2O), Ethanol (95 %), Aceton (99 %), Formaldehyd (99 %) und Toluol (99 %). Aladdin, Co. Alle oben genannten Chemikalien wurden im Lieferzustand verwendet. Deionisiertes (DI) Wasser wurde mit dem Wasseraufbereitungssystem Millipore Synergy UV-R hergestellt. Objektträger aus Borosilikatglas (170 µm dick) wurden von Marienfeld Superior bezogen. Es wurden Klebstoffe verschiedener Marken verwendet, die ähnliche Leistungen erzielten. Kommerzielle weiße Farbe wurde von Sherwin–Williams gekauft (extraweiß, Produktnummer A74W00051). Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP, Kynar Flex® 2801) wurde von Arkema bezogen. Silber- und Aluminiumplatten, Kunststoffgleiter (5 mm dick) aus Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Lindenholzplatten (10 mm dick), Schmutzmittel (einschließlich Montmorillonit, Bentonit, Kohlenasche und Sand), Aluminiumfolien, Wandfliesen für den Außenbereich (40 × 80 cm), Blechdosen (47 × 32 × 32 cm) und Sprühbeschichtungsgeräte wurden auf dem lokalen Markt gekauft.

PFOTS und TiO2-NPs wurden in Ethanol gegeben, das 5 Stunden lang bei Umgebungstemperatur (ca. 25 °C) gerührt wurde, um eine scheinbar gleichmäßige Suspension zu erhalten. Zur Herstellung der AACP-Suspension wurde routinemäßig ein Gewichtsverhältnis von PFOTS/TiO2/Ethanol von 0,1/1,3/10 (ergänzende Abbildung 12) verwendet. Die vorbereitete AACP-Suspension kann auf verschiedene Oberflächen getropft/tauchgegossen oder aufgesprüht/aufgestrichen werden, um gleichmäßige Beschichtungen zu bilden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Drop-Cast-Methode gewählt, um routinemäßig Beschichtungen aus AACP herzustellen. Mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie zur Beobachtung des Querschnittbilds der Beschichtungsschichten haben wir die Beschichtungsdicke ermittelt (ergänzende Abbildung 4). Die gemittelten Dickendaten und die entsprechende Standardabweichung wurden aus mindestens 5 Messungen an verschiedenen Positionen ermittelt. Um die mechanische Haltbarkeit von AACP-Beschichtungen zu verbessern, wurde vor dem Auftropfen von AACP zunächst eine Klebstoffschicht auf das Substrat aufgetragen, wodurch die Kohäsionsfestigkeit zwischen Substrat und AACP verbessert wurde. Als Kontrollgruppe wurde handelsübliche weiße Farbe zum Auftragen auf das Substrat verwendet. Poröse Beschichtungen aus PVDF-HFP wurden gemäß einem früheren Bericht9 durch ein auf Phaseninversion basierendes Verfahren erhalten. Kurz gesagt, PVDF-HFP und Aceton wurden zunächst gemischt, um eine Lösungsmischung zu bilden, dann wurde Wasser hinzugefügt, um eine Flüssig-Fest-Phasenumkehr herbeizuführen und so feste Beschichtungen zu erhalten. Das Gewichtsverhältnis von PVDF-HFP/Aceton/Wasser betrug 1/8/1. Zur Demonstration der Skalierbarkeit von AACP wurde ein Sprühbeschichter zum Streichen von Außenwandfliesen eingesetzt. Um eine gleichmäßige Beschichtungsschicht von etwa 100 µm zu erhalten, wurde eine Reihe von Geräteparametern für diesen Zweck ausgewählt, darunter 0,1 bar als Antriebsdruck, eine Düsengröße von 2,5 mm, eine Durchflussrate von 320 ml/min und ein Sprühabstand von etwa 40 cm und einer Sprühzeit von ca. 1 Minute, um die gesamte Fliese (40 × 80 cm) zu streichen.

Die Berechnung der Packungsdichte (ϕ) basierte auf dem Massenerhaltungsprinzip. Die Massendichte von TiO2-NPs beträgt etwa 4,26 g cm−3, gemessen mit dem Pyknometer Ultrapyc 5000. Beispielsweise beträgt für ein 5 × 5 cm großes Substrat der verwendete Feststoffgehalt der TiO2-Suspension 0,48 g (Gewichtsverhältnis von TiO2/Ethanol beträgt 1,3/10), die gemessene Trockenschichtdicke beträgt etwa 100 µm, dann wird ϕ berechnet als \ (\frac{0,478{{{{\rm{g}}}}}}/4,26{{{{{\rm{g\; c}}}}}}{{{{{{\rm{m }}}}}}}^{-3}}{25{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2 }\times 100{{{{{\rm{\mu }}}}}}{{{{{\rm{m}}}}}}}\ungefähr 0,45\). In der Praxis ist die TiO2-Konzentration in Ethanol der entscheidende Faktor für die Steuerung der Größe von ϕ, wobei eine hohe Konzentration einem hohen ϕ entspricht und umgekehrt.

Der solare Reflexionsgrad (R̅solar) von AACP und anderen Beschichtungsproben wurde im Wellenlängenbereich (λ) von 0,3–2,5 µm unter Verwendung eines PerkinElmer LAMBDA 950 mit einer Ulbrichtkugel aus Polytetrafluorethylen gemessen und gemittelt. Die Emission der Beschichtungen wurde mit einem PerkinElmer Spotlight 200I mit einer goldenen Ulbrichtkugel innerhalb eines λ-Bereichs von 2,5–16 µm gemessen. Die langwellige Infrarotemission (LWIR) (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) am transparenten atmosphärischen Fenster wurde durch Mittelung berechnet die Emissionsdaten über eine Wellenlänge von 8–13 µm. Für jede Beschichtungsprobe wurden die gemittelten Daten und die entsprechende Standardabweichung aus mindestens drei Messungen ermittelt.

Die Messungen des scheinbaren statischen Wasserkontaktwinkels (θapp) und des Abrollwinkels (θroll) wurden mit OCA 50 AF, Dataphysics, durchgeführt. Zur Messung von θapp wurde ein 6 µL großes Tröpfchen auf die Beschichtungsoberfläche gegeben und dort stehengelassen. Der Winkel zwischen der Tangente an die Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche und der festen Oberfläche wurde als θapp aufgezeichnet. Zur Messung von θroll wurde ein 10-µL-Tröpfchen auf die Beschichtungsoberfläche gegeben und das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 0,1° pro Sekunde geneigt. Der θroll-Wert wurde zum Zeitpunkt des Tropfenrollens aufgezeichnet. Für jede Beschichtungsprobe wurden die gemittelten Daten und die entsprechende Standardabweichung aus mindestens 5 Messungen an verschiedenen Positionen ermittelt.

Um den Energieverlustfaktor (EDF) von Wassertropfen beim Aufprall auf die Beschichtungsoberflächen zu ermitteln, wurde ein 5 µL großer Wassertropfen aus einer Höhe von 10 mm freigesetzt, um auf die Beschichtungsoberfläche aufzuprallen, und der Tropfen prallte nach dem Aufprall zurück. Die maximale Höhe (h, Einheit mm) des nach dem ersten Aufprall zurückprallenden Tropfens wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (Photron, Fastcam SA5) mit 10.000 fps (Bilder pro Sekunde) aufgezeichnet. Dann ist der EDF definiert als EDF = (10 − h)/10. Für jede Beschichtungsprobe wurden die gemittelten Daten und die entsprechende Standardabweichung aus mindestens fünf Messungen an verschiedenen Positionen ermittelt.

Optische Mikroskopbilder wurden mit einem Nikon LV ND-Mikroskop aufgenommen. Die Analyse mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) wurde auf dem Phenom Pro Die thermogravimetrische Analyse (TGA) der Beschichtungsproben wurde auf einem Q50 TGA (TA Instrument) mit einer Heizrate von 10 °C min−1 unter einem Stickstoffgasstrom (50 ml min−1) durchgeführt. Die Analyse der funktionellen Gruppen wurde mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR, Thermo Fisher Nicolet Is10) durchgeführt. Das Pulverröntgenbeugungsmuster von TiO2-NPs wurde mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, Bruker D8 Advance) aufgenommen. Die Partikelgrößenverteilung von TiO2-NPs wurde mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS), Laser-Partikelgrößenmessgerät, Zetasizer Nano ZS-90, untersucht. An der Strahllinie BL10U1 der Shanghai Synchrotron Radiation Facility wurden Experimente zur Ultrakleinwinkel-Röntgenstreuung (USAXS) durchgeführt. Zur Erfassung der zweidimensionalen (2D) Streudaten wurde ein Eiger-4M-Detektor verwendet. Die Röntgenwellenlänge betrug 1,24 Å (entsprechend einer Energie von 10 keV). Die Strahlgröße betrug 400 × 450 µm. Alle Proben wurden auf ein kreisförmiges Glimmersubstrat (nahezu röntgentransparent) mit einer Dicke von 0,1 mm und einem Durchmesser von 30 mm aufgetragen. Der Abstand zwischen Beschichtung und Detektor betrug 27.600 mm. Die Datenerfassungszeit betrug für alle Messungen 10 s. Die Software Fit2D (v12.077) wurde verwendet, um 2D-Rohdaten auf eindimensionale (1D) Kurven zu reduzieren. Zur Aufnahme von Infrarotbildern wurde eine Infrarotkamera (R300, Mission Technology Co.) eingesetzt.

FDTD Solutions von Lumerical 2020 R2.4 wurde verwendet, um die Auswirkung der Packungsdichte von TiO2-NPs und der Nanopartikelgröße auf die Sonnenreflexion der Beschichtung zu untersuchen. Die Maschenweite beträgt 20 × 20 × 20 nm. Aufgrund der begrenzten Rechenleistung wurde ein dichtes Packungsmodell angewendet, die Filmdicke wurde auf 2 µm festgelegt und das simulierte Spektrum beträgt 0,25 bis 2,5 µm Wellenlänge. Dicken von 10 und 20 µm wurden ebenfalls untersucht und ergaben einen ähnlichen Variationstrend. Zur Erstellung des Datums für Abb. 1c wurde ein Durchmesser von 200 nm von TiO2-NPs verwendet. Die Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung 5 dargestellt.

Alle Feldtests wurden in Chengdu, China, durchgeführt. Um den realen Betriebszustand von AACP nachzuahmen, haben wir die Temperaturschwankungen und die Kühlleistung der Beschichtungen ohne die Implementierung eines Wind- und Strahlungsschutzes gemessen. Alle Proben wurden auf Glassubstrate mit schwarzem Klebeband auf der Rückseite aufgetragen, das ggf. durchgelassenes Licht absorbieren konnte. Ein J-Typ-Thermoelement wurde auf der Rückseite des Glases angebracht und mit dem 4-Kanal-Thermoelement-Datenlogger UX120-014M von Onset HOBO verbunden. Daten zur Sonneneinstrahlung (Isolar) wurden mit dem Thermosäulenpyranometer SP-510 von Apogee Instrument aufgezeichnet. Das Thermoelement zur Überwachung der Umgebungstemperatur wurde durch einen Thermometerschutz abgeschirmt, um eine direkte Sonneneinstrahlung zu verhindern. Alle Proben und Instrumente wurden auf einer Vakuumisolationsplatte mit Styroporunterlage platziert, um die strahlungslose Wärmeübertragung zu begrenzen. Eine Wetterstation (DC5V-Modell, YiGu Co.) wurde zur Überwachung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Windgeschwindigkeit in der Umgebung verwendet (ergänzende Abbildung 15). Der gesamte Aufbau wurde in der ergänzenden Abbildung 17 dargestellt.

Die Kühlleistung der AACP-Beschichtung wurde durch Zufuhr von Wärmeleistung bestimmt, wodurch die Probe Umgebungstemperatur erreichen konnte. Dann könnte diese Wärmeleistung als gleich der Kühlleistung der Probe behandelt werden, ohne die strahlungslose Wärmeübertragung zu berücksichtigen. Eine ausführliche Diskussion finden Sie im Abschnitt „Schätzung der Strahlungskühlleistung“. Zur Bestimmung der Kühlleistung verwendeten wir sowohl die schrittweise als auch die Close-Tracking-Methode. Durch die Verwendung der schrittweisen Methode haben wir uns dafür entschieden, die Wärmeleistung zur Mittagszeit schrittweise zu erhöhen, sodass die Temperatur der Probe innerhalb eines Zeitintervalls von 5 Minuten schrittweise einen stabilen Zustand erreicht. Dann haben wir die Temperaturdifferenz zwischen Probe und Umgebung als Funktion der Wärmeleistung aufgetragen, wie in der ergänzenden Abbildung 13 dargestellt. Die Kühlleistung war dann gleich der Wärmeleistung, als die Temperaturdifferenz Null erreichte. Die Wärmeleistung stammte von einem maßgeschneiderten flexiblen Kapton®-Heizgerät, das von einem Keithley 2400 SourceMeter gesteuert wurde. Die Proportional-Integral-Derivative (PID)-Steuerung über LabVIEW wurde verwendet, um die Wärmeleistung als Reaktion auf den gewünschten Probentemperaturwert zu regulieren. Zwischen der Rückseite des beschichteten Glases und der Heizung wurde ein Thermoelement angebracht, um die Temperaturschwankung zu überwachen und Feedback-Daten für die Regelgenauigkeit zu liefern. Die Probentemperatur, die Wärmeleistung und die entsprechenden Standardabweichungsdaten wurden in den letzten 3 Minuten jedes Zeitintervalls nach dem anfänglichen vorübergehenden Spitzenwert der Wärmeleistung ermittelt. Mithilfe der Close-Tracking-Methode wurde die Heizung durch dasselbe PID-Steuerungsprogramm gesteuert, um die AACP-Oberflächentemperatur in Echtzeit von 11:00 bis 16:00 Uhr der Umgebungstemperatur anzupassen. Dann können wir die Kühlleistungsschwankung in einem Zeitraum von 5 Stunden tagsüber ermitteln (ergänzende Abbildung 14). Alle Beschichtungen für Feldtests erfolgten auf 5 × 5 cm großen Glassubstraten.

Wir haben 3 Jahre lang eine natürliche Verschmutzungswirkung auf die Beschichtungen gemäß der Norm ASTM D7897-18 simuliert, die zur Bewertung der Verschmutzungswirkung auf die Sonnenreflexion und die thermische Emission von Dachmaterialien entwickelt wurde. Gemäß dieser Norm haben wir die künstliche Schmutzmischung hergestellt, die aus vier Schmutzstoffen besteht, nämlich Ruß, Staub, partikuläre organische Substanz (POM) und Salze, wie in der ergänzenden Abbildung 16 dargestellt. Die Formeln lauten wie folgt:

Ruß: 0,26 ± 0,01 g Ruß wurden mit 1 l destilliertem Wasser gemischt, um eine Suspension zu erhalten;

Staub: Eine Mischung aus 0,3 ± 0,02 g Fe2O3, 1,0 ± 0,05 g Montmorillonit und 1,0 ± 0,05 g Bentonit wurde in 1 L destilliertes Wasser gegeben, um eine Suspension mit einer Konzentration von 2,3 ± 0,1 g/L zu erhalten;

POM: 1,4 ± 0,05 g HAc wurden mit 1 l destilliertem Wasser gemischt, um eine Suspension zu erhalten;

Salze: Eine Mischung aus 0,3 ± 0,03 g NaCl, 0,3 ± 0,03 g NaNO3 und 0,4 ± 0,03 g CaSO4 ∙ 2H2O wurde in 1 L destilliertem Wasser gelöst, um eine Lösung mit einer Konzentration von 1,0 ± 0,1 g/L zu erhalten.

Die oben genannten vier Schmutzmittel wurden gemischt, um natürliche Schmutzstoffe zu simulieren. Das Gewichtsverhältnis von Ruß/Staub/POM/Salzen betrug 5/47/28/20. Diese Schmutzmischung wurde in einen Sprühtank gegossen, der mit einem Luftdruckmesser ausgestattet war. Anschließend sprühten wir die Schmutzmischung aus 30 cm Entfernung kontinuierlich und gleichmäßig auf die Beschichtungen. Die versprühten nassen Schmutzmittel wurden auf 8 ± 1 mg cm-2 eingestellt. Anschließend wurde die verschmutzte Beschichtung unter einer Infrarot-Wärmelampe getrocknet. Bewitterungsschritte vor und nach dem Verschmutzungsverfahren wurden durchgeführt, um ultraviolette (UV) Strahlung und den natürlichen Alterungseffekt von Feuchtigkeit und Regen zu simulieren. Dieser Bewitterungsschritt umfasste 2 Zyklen von 8 Stunden UV mit 0,89 W m−2 bei 340 nm und 60 °C, 4 Stunden simulierten Regen bei 50 °C.

Schlamm wurde durch Mischen von Kohleasche und Wasser formuliert. Um niedrig- und hochviskosen Schlamm zu simulieren, wurden Kohleasche-Gewichtsverhältnisse von 50 % und 80 % erzeugt. Wir tropften den Schlamm (jeweils 1 g cm-2) auf die Beschichtungen, um den Verschmutzungseffekt zu untersuchen. Der Anschmutzvorgang wurde zehnmal wiederholt. Der Reinigungseffekt wurde in der ergänzenden Abbildung 21, der ergänzenden Tabelle 1 und dem ergänzenden Film 1 gezeigt.

Zur Simulation von Staubkontaminationen wurden MnO2-Partikel mit Durchmessern im Bereich von Hunderten von Nanometern bis zu mehreren zehn Mikrometern verwendet. Etwa 10 mg cm-2 MnO2-Partikel wurden gleichmäßig auf den Beschichtungen verteilt. Zur Untersuchung der Reinigungswirkung wurden Wassertropfen und Windstöße durchgeführt. Der Verschmutzungs-Reinigungszyklus wurde zehnmal wiederholt. Der Reinigungseffekt ist in der ergänzenden Abbildung 2, der ergänzenden Tabelle 1 und dem ergänzenden Film 2 dargestellt.

10 mg cm-2 Sand wurden gleichmäßig auf den Beschichtungen verteilt. Zur Untersuchung der Reinigungswirkung wurde auf den Beschichtungen Wasserkondensation durchgeführt. Die Beschichtungsprobe wurde auf einen etwa 5 °C kalten Tisch mit einer Neigung von 45° gelegt. Die Umgebungstemperatur betrug etwa 25 °C und die relative Luftfeuchtigkeit wurde auf 99 % eingestellt. Der Reinigungseffekt wurde in der ergänzenden Abbildung 22 dargestellt.

Wir haben die Beschichtungen in eine UV-Bewitterungskammer (HT-UV3, Haotian Testing Equipment Co.) gelegt. Für beschleunigte Bewitterungsexperimente wurden 1000 Stunden (~42 Tage) UV-Bestrahlungsstärke mit 0,89 W m−2 bei 340 nm und 60 °C verwendet. Diese UV-Dosis entspricht einer einjährigen Sonneneinstrahlung in Florida (jährliche UV-Dosis von etwa 275 MJ m−2). Die Sonneneinstrahlung in Florida ist ein internationaler Maßstab für Haltbarkeitstests von Materialien.

Die AACP-Beschichtung mit Klebstoffen wurde 1000 Stunden lang auf einen Heiztisch bei etwa 100 °C gelegt. Die optischen und Benetzungseigenschaften nach dem Erhitzen sind in der ergänzenden Abbildung 24 dargestellt.

Die durchschnittliche Strahlgeschwindigkeit v kann als \(v=\frac{4V}{\pi {d}^{2}\triangle t}\) berechnet werden, wobei V das während der Zeitdauer ausgestoßene Wasservolumen ist Δt und d ist der Nadeldurchmesser. 10 ml Wasser wurden innerhalb von 400 ms mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 8 m s−1 aus einer Nadel mit 2 mm Durchmesser gespritzt. Diese Geschwindigkeit entspricht der Geschwindigkeit der Regentropfen im Regensturm (v ≈ 9 m s−1). Ein Wasserstrahl mit höherer Geschwindigkeit aus einem Wasserhahn (d = 5 mm, v ≈ 10 m s−1) wurde ebenfalls verwendet, um die Integrität der AACP-Beschichtung zu testen, wie im Zusatzfilm 3 gezeigt.

Zur Prüfung der Haftkraft zwischen Beschichtung und Untergrund wurde 3 M VHB 5925-Klebeband angebracht. Um einen festen Halt des Bandes auf der Beschichtungsoberfläche zu gewährleisten, wurde das Band zweimal mit einer 1-kg-Rolle abgerollt. Dann wurde das Klebeband abgezogen. Der Testprozess und die Beschichtungseigenschaften nach dem Abziehen des Klebebands sind in der ergänzenden Abbildung 28 dargestellt.

Sande mit einem Durchmesser von 50 bis 300 µm wurden verwendet, um aus einer Höhe von 30 cm auf eine 24 × 60 mm große Beschichtungsfläche zu fallen. Für jeden Sandfall wurde eine Gesamtsandmasse von 20 g verwendet. Der Abriebtest wurde 100 Mal wiederholt. Der Testprozess und die Beschichtungseigenschaften nach dem Sandfalltest sind in der ergänzenden Abbildung 29 dargestellt.

Der Kratzfestigkeitstest wurde gemäß ASTM-Standard D7027-20 (Testmodus A) durchgeführt. Konkret wurde ein Kratzer auf die AACP-Beschichtungsoberfläche unter einer normalen Belastung von 2 N, 20 N bzw. 50 N über eine Distanz von 0,1 m (±0,0001 m) mit einer konstanten Kratzgeschwindigkeit von 0,1 m s−1 (±0,0005) aufgebracht m s−1). Die Beschichtungseigenschaften nach dem Kratztest sind in der ergänzenden Abbildung 30 und der ergänzenden Tabelle 4 dargestellt.

Die Beschichtungsprobe befand sich auf Glassubstraten (22 × 60 mm) mit einer Dicke von etwa 100 μm. Die Konzentrationen des Zufuhrstroms von Formaldehyd und Toluol wurden beide auf 30 ppm im Stickstoffgasstrom eingestellt. Die Gasfeuchtigkeit wurde auf 50 % geregelt und die Gesamtflussrate wurde auf 25 ml/min eingestellt. Eine UV-Lampe (300 W) wurde vertikal über dem Reaktor (0,357 l) platziert. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts wurde auf 365 nm und die Lichtintensität auf 0,29 W cm−2 eingestellt. Die Lampe wurde eingeschaltet, nachdem das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht erreicht war. Die Konzentrationen von Formaldehyd, Toluol, Wasser und CO2 wurden kontinuierlich mit einem Mehrgasanalysator (DKG-42A, Duke Technology) aufgezeichnet. Die Schadstoffumwandlungseffizienz wurde als η (%) = (C0 − C)/C0 × 100 % berechnet, wobei C0 und C die Konzentration von Formaldehyd oder Toluol im Zufuhrstrom bzw. die Echtzeitkonzentration im Auslassstrom darstellen42 . Die Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung 31 dargestellt.

Zwei Standorte in China wurden ausgewählt, um die langfristige Haltbarkeitsleistung von AACP im Außenbereich zu demonstrieren. Eines war Chengdu (30°40'36''N, 104°6'28''E) in feuchtem und heißem Klima, datiert vom 25. April bis 10. November 2021. Das andere war Xi'an (34°17' 57''N, 108°58'21''E) in trockenem und heißem Klima, vom 1. Mai bis 30. November 2021. Die Beschichtungsmuster (5 × 15 cm) wurden auf einer Ausstellungstafel (80 × 120 cm) befestigt. um 30° zum Himmel geneigt. Alle beschichteten Objektträger wurden in drei Bereiche aufgeteilt: unbelichtet/(belichtet, gewaschen)/(belichtet, ungewaschen). Wir haben ein Drittel des Dias als „unbelichteten“ Bereich mit Aluminiumfolie umwickelt. Das „Waschen“ erfolgte durch Spülen mit Leitungswasser. Als die Außenbelichtung abgeschlossen war, wurden die Proben entnommen, um die optischen und Benetzungseigenschaften zu testen. Die Ergebnisse der Alterung der Proben in Xi'an sind in der ergänzenden Abbildung 25 dargestellt.

Der solare Reflexionsgrad (R̅solar) ist definiert als das Verhältnis der reflektierten Sonnenleistung im λ von 0,3–2,5 µm zum Integral der Sonnenintensität innerhalb desselben Wellenlängenbereichs43:

Dabei ist Isolar(λ) das ASTM G173-03 AM 1.5 Global Tilt-Spektrum und R(λ) das gemessene spektrale Reflexionsvermögen der Probe.

In ähnlicher Weise ist die thermische Emission (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)) als Verhältnis der Wärmestrahlung der Probe definiert Energie im primären langwelligen Infrarot (LWIR) atmosphärischen Transparenzfenster (λ von 8–13 µm) zum Integral der spektralen Intensität, die von einem Standard-Schwarzen Körper innerhalb desselben Wellenlängenbereichs emittiert wird:

Dabei ist \(\varepsilon \left(T,\lambda \right)\) die gemessene spektrale Emission der Probe und Ibb(T, λ) die Schwarzkörperstrahlungsintensität bei einer Temperatur von T, berechnet nach dem Planckschen Gesetz:

Dabei ist \(\hslash\) die Planck-Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und kB die Boltzmann-Konstante. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperatur T auf 298 K festgelegt.

Um die Kühlleistung der Strahlungskühlmaterialien zu bewerten, ist der Temperaturabfall unterhalb der Umgebungstemperatur ein Parameter, um die Kühlleistung intuitiv zu spüren. Da jedoch die Testbedingungen wie Standort, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit usw. von Fall zu Fall unterschiedlich sein können, kann man bei verschiedenen Tests selbst für dasselbe Material kaum die gleiche Temperaturreduzierung erzielen44. Daher ist es sinnvoller, die Kühlleistung zu verwenden, um die Kühlfähigkeit verschiedener Materialien objektiv zu vergleichen.

Um die Kühlleistung einer Strahlungskühlfläche abzuschätzen, gehen wir von der stationären Wärmeübertragungsbilanzanalyse45 aus. Für eine Strahlungskühlfläche mit der Temperatur \(T\) und der Umgebungstemperatur Ta wird die Nettokühlleistung Pnet(T, Ta) berechnet als

Dabei ist Prad(T) die von der Oberfläche emittierte Leistung, Patm(T) die absorbierte Leistung der atmosphärischen Strahlung, Psun die Energieleistung der Sonne und Pnrad(T, Ta) die strahlungslose Wärmeübertragungsleistung aus der Umgebung konduktiver und/oder konvektiver Wärmeaustausch. Für eine Strahlungskühloberfläche mit einer Flächeneinheit von 1 m2 kann Pnrad(T, Ta) weiter als hc(Ta – T) ausgedrückt werden, indem ein nichtstrahlender Wärmeübertragungskoeffizient hc (Einheit W m−2 K−) einbezogen wird 1). Wie wir bereits erwähnt haben, können reale Umgebungsbedingungen den hc stark beeinflussen, sodass er zwischen 2 und 20 W m−2 K−1 44 schwankt. Um diesen unkontrollierten Faktor auszuschließen, können wir daher ΔT = Ta – T = 0 setzen Eliminierung des Pnrad(T, Ta)-Terms. In der Praxis verwendeten wir eine Heizung, um den Wärmeverlust des Kühlgeräts auszugleichen und dessen Temperatur der Umgebungstemperatur anzugleichen. Dann wird die Nettokühlleistung Pnet(T, Ta) zu Pnet(Ta, Ta) und kann weiter als Pcool(Ta) definiert werden, was der Wärmeleistung entspricht.

Betrachten wir nun ein ideales Szenario, d. h. das Strahlungskühlmaterial hat 100 % Reflexion im Sonnenspektrum (λ von 0,3–2,5 µm) und 100 % Emission im primären atmosphärischen Transparenzfenster (λ von 8–13 µm). Dann ist (1 − R̅solar)Psun = 0.

Und

wobei \(\varepsilon (\lambda,\theta )\) und \({\varepsilon }_{{{{{{\rm{a}}}}}}}\left(\lambda,\theta \right) \) sind der spektrale und winkelmäßige Emissionsgrad der Strahlungskühlungsoberfläche und der Umgebungsluft, ta(λ, 0) ist der atmosphärische Transmissionsgrad im Null-Zenitwinkel. Nach unserer Schätzung stammen die Daten von ta(λ, 0) aus der ATRAN-Modellierungssoftware. Die Kühlleistung beruht hauptsächlich auf der spektralen Oberflächenemission durch das primäre atmosphärische Transparenzfenster mit λ von 8 bis 13 µm. Dann erhalten wir Pcool(Ta) as

Infolgedessen kann Pcool als Funktion der Umgebungstemperatur Ta wie in Abb. 1a des Haupttextes dargestellt dargestellt werden. Es ist erwähnenswert, dass wir in der obigen Diskussion R̅solar = 1 setzen, um die absorbierte Sonnenenergie zu eliminieren. Wir können die Auswirkung von unvollkommenem R̅solar einfach untersuchen, indem wir den Nicht-Null-Term von (1 − R̅solar)Psun wieder einführen, um die Nettokühlenergie Pnet(Ta) zu erhalten:

Wir schätzen die eingesparte Elektrizität für ein dreistöckiges Gewerbebürogebäude mit einem 1600 m2 großen Dach für AACP und reflektierender weißer Farbe für einen Zeitraum von drei Jahren. Das Simulationsverfahren ähnelt der vorherigen Arbeit.5 EnergyPlus (Version 22.1.0) wurde verwendet, um den Stromverbrauch mit einem Standard-Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystem (HVAC) auf der Grundlage stündlicher Wetterdaten der Stadt Singapur (heißes Klima) zu bestimmen. entnommen aus den Dateien der International Weather for Energy Calculation (IWEC). Die Innentemperatur des Gebäudes wurde jederzeit auf 24 °C eingestellt und die HVAC-Anlage war kontinuierlich in Betrieb. Die Kühlleistung von AACP wurde nach Gl. berechnet. (9) mit Eingabe von Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung und Wolkenbedeckungsdaten, die dann von der Heizlast für das Gebäude abgezogen werden. Zur Berechnung der verbleibenden im Gebäude abgegebenen Wärme wurde ein Leistungskoeffizient (COP) von 2,8 verwendet. Der Reflexionsgrad und der Emissionsgrad des Daches des Standardreferenzgebäudes wurden auf 0,3 und 0,9 festgelegt. Für weiß gestrichene Dächer wurde der Emissionsgrad auf 0,9 festgelegt. Der Reflexionsgrad wurde mit einem abnehmenden Trend für jedes Jahr in einem Zeitraum von 3 Jahren auf 0,87, 0,82 und 0,78 festgelegt. Für AACP wurde der Reflexionsgrad für jedes Jahr auf 0,93, 0,928 und 0,926 und der Emissionsgrad auf 0,97 festgelegt. Die Simulationsergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung 36 dargestellt. Aufgrund der Umweltalterung sinkt die Stromeinsparung für weiße Farbe jedes Jahr von 12,2 auf 8,4 kWh m-2, während AACP eine robuste Energieeinsparleistung über 50 kWh m-2 liefert. In der Ergänzungstabelle 5 haben wir die Kosten zwischen AACP und zwei anderen gängigen weißen Farben auf der Grundlage eines Quadratmeters verglichen. Wir stellen fest, dass die Kosten von AACP mit den Preisen kommerzieller Produkte vergleichbar sind (~ 5 Mio. USD gegenüber 4 Mio. USD). In diesem Fall beträgt die Stromeinsparungsdifferenz von AACP im Vergleich zu weißer Farbe ~40 kWh m−2 für 1 Jahr. Wir gehen davon aus, dass die Netzstromkosten 0,1 kWh−1 betragen. Dann kann der Kostenunterschied zwischen AACP und weißer Farbe im ersten Jahr oder möglicherweise in einem noch kürzeren Zeitraum ausgeglichen werden, was das große Potenzial von AACP als ebenso kostengünstige wie coole Lösung zeigt Dach, um den Energiebedarf für hohe Kühllasten zu senken.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

UNEP. „Emissions Gap Report 2020“ (Umweltprogramm der Vereinten Nationen, 2020) .

Xu, C., Kohler, TA, Lenton, TM, Svenning, J.-C. & Scheffer, M. Die Zukunft der menschlichen Klimanische. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 117, 11350–11355 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

IEA. „Cooling Emissions and Policy Synthesis Report“ (IEA, 2020).

Weltbank. „Der kalte Weg nach Paris: Wege zur nachhaltigen Kühlung für widerstandsfähige Menschen und Volkswirtschaften bis 2050 aufzeigen“ (Weltbank, 2021).

Raman, AP, Anoma, MA, Zhu, L., Rephaeli, E. & Fan, S. Passive Strahlungskühlung unter Umgebungslufttemperatur bei direkter Sonneneinstrahlung. Natur 515, 540–544 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shi, NN et al. Kühl bleiben: verbesserte optische Reflexion und Strahlungswärmeableitung bei Sahara-Silberameisen. Wissenschaft 349, 298–301 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhai, Y. et al. Skalierbar hergestelltes, randomisiertes Glas-Polymer-Hybrid-Metamaterial für die Strahlungskühlung am Tag. Wissenschaft 355, 1062–1066 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Goldstein, EA, Raman, AP & Fan, S. Nicht verdunstende Flüssigkeitskühlung unter der Umgebungstemperatur mit dem Himmel. Nat. Energie 2, 17143 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Mandal, J. et al. Hierarchisch poröse Polymerbeschichtungen für hocheffiziente passive Strahlungskühlung am Tag. Wissenschaft 362, 315–319 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Peng, Y. et al. Nanoporöse Polyethylen-Mikrofasern für großflächige Strahlungskühlgewebe. Nat. Aufrechterhalten. 1, 105–112 (2018).

Artikel Google Scholar

Li, T. et al. Ein strahlungskühlendes Strukturmaterial. Wissenschaft 364, 760–763 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhou, L. et al. Eine mit Polydimethylsiloxan beschichtete Metallstruktur für ganztägige Strahlungskühlung. Nat. Aufrechterhalten. 2, 718–724 (2019).

Artikel Google Scholar

Leroy, A. et al. Hochleistungsfähige Strahlungskühlung unterhalb der Umgebungstemperatur, ermöglicht durch optisch selektives und thermisch isolierendes Polyethylen-Aerogel. Wissenschaft. Adv. 5, eaat9480 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yin, X., Yang, R., Tan, G. & Fan, S. Terrestrische Strahlungskühlung: Nutzung des kalten Universums als erneuerbare und nachhaltige Energiequelle. Science 370, 786–791 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Li, X. et al. Integration von Strahlungskühlung am Tag und Solarheizung zur ganzjährigen Energieeinsparung in Gebäuden. Nat. Komm. 11, 6101 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Alberghini, M. et al. Nachhaltige Polyethylengewebe mit technischem Feuchtigkeitstransport für passive Kühlung. Nat. Aufrechterhalten. 4, 715–724 (2021).

Artikel Google Scholar

Li, D. et al. Skalierbarer und hierarchisch gestalteter Polymerfilm als selektiver Wärmestrahler für leistungsstarke Strahlungskühlung den ganzen Tag über. Nat. Nanotechnologie. 16, 153–158 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, T. et al. Ein Strukturpolymer für hocheffiziente, ganztägige passive Strahlungskühlung. Nat. Komm. 12, 365 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, B. et al. Strahlungskühlendes Textil für den Tag unter der Umgebungstemperatur auf Basis nanoverarbeiteter Seide. Nat. Nanotechnologie. 16, 1342–1348 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, S. et al. Skalierbare thermochrome Smart-Fenster mit passiver Strahlungskühlungsregulierung. Wissenschaft 374, 1501–1504 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Tang, K. et al. Temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung für die ganzjährige Wärmeregulierung im Haushalt. Wissenschaft 374, 1504–1509 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Bretz, SE & Akbari, H. Langzeitleistung von Dachbeschichtungen mit hoher Albedo. Energieaufbau. 25, 159–167 (1997).

Artikel Google Scholar

Hsu, P.-C. et al. Strahlungskühlung des menschlichen Körpers durch nanoporöses Polyethylengewebe. Wissenschaft 353, 1019–1023 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zeng, S. et al. Hierarchische Morphologie-Metastruktur für skalierbare passive Strahlungskühlung am Tag. Wissenschaft 373, 692–696 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Andrady, AL, Hamid, SH, Hu, X. & Torikai, A. Auswirkungen erhöhter ultravioletter Sonnenstrahlung auf Materialien. J. Photochem. Photobiol. B-Biol. 46, 96–103 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Ebnesajjad, S. Einführung in Fluorpolymere (William Andrew Imprint, 2021)

Geyer, F. et al. Wann und wie die Selbstreinigung superhydrophober Oberflächen funktioniert. Wissenschaft. Adv. 6, eaaw9727 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Diebold, MP Anwendung der Lichtstreuung auf Beschichtungen (Springer, 2014)

Harrison, AW & Walton, MR Strahlungskühlung von weißer TiO2-Farbe. Sol. Energie 20, 185–188 (1978).

Artikel ADS Google Scholar

Xue, X. et al. Erstellen einer umweltfreundlichen Gebäudebeschichtung mit intelligenter Strahlungskühlung unterhalb der Umgebungstemperatur. Adv. Mater. 32, 1906751 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Mandal, J., Yang, Y., Yu, N. & Raman, AP Farben als skalierbare und effektive Strahlungskühlungstechnologie für Gebäude. Joule 4, 1350–1356 (2020).

Artikel Google Scholar

Mitchell, BS Eine Einführung in die Werkstofftechnik und -wissenschaft (Wiley, 2004)

van de Hulst, HC Lichtstreuung durch kleine Partikel (Dover, 1957)

Liu, M., Wang, S. & Jiang, L. Von der Natur inspirierte Superbenetzbarkeitssysteme. Nat. Rev. Mater. 2, 17036 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Dhyani, A. et al. Design und Anwendungen von Oberflächen, die die Ansammlung von Materie steuern. Wissenschaft 373, eaba5010 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, Y. et al. Robuste selbstreinigende Oberflächen, die funktionieren, wenn sie Luft oder Öl ausgesetzt werden. Wissenschaft 347, 1132–1135 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Socrates, G. Infrarot- und Raman-charakteristische Gruppenfrequenzen (Wiley, 2001)

Butt, H.-J. et al. Charakterisierung superflüssigkeitsabweisender Oberflächen. Curr. Meinung. Kolloidschnittstellenwissenschaft. 19, 343–354 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Sleiman, M. et al. Verschmutzung von Gebäudehüllenoberflächen und ihre Auswirkung auf die Sonnenreflexion – Teil II: Entwicklung einer beschleunigten Alterungsmethode für Dachmaterialien. Sol. Energie Mater. Sol. Zellen 122, 271–281 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

ASTM-D7897-18. „Standardpraxis für Laborverschmutzung und Verwitterung von Dachmaterialien zur Simulation der Auswirkungen natürlicher Exposition auf die Sonnenreflexion und die thermische Emission“ (ASTM Int'l, 2018).

Zhang, W., Wang, D., Sun, Z., Song, J. & Deng, X. Robuste Superhydrophobie: Mechanismen und Strategien. Chem. Soc. Rev. 50, 4031–4061 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Cui, W. et al. Von der Natur inspirierte CaCO3-beladende TiO2-Verbundwerkstoffe für eine effiziente und dauerhafte photokatalytische Mineralisierung von gasförmigem Toluol. Wissenschaft. Stier. 65, 1626–1634 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, M. et al. Entwurf mesoporöser photonischer Strukturen für leistungsstarke passive Strahlungskühlung am Tag. Nano Lett. 21, 1412–1418 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhao, D. et al. Strahlungskühlung des Himmels: Grundprinzipien, Materialien und Anwendungen. Appl. Physik. Rev. 6, 021306 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Rephaeli, E., Raman, A. & Fan, S. Ultrabreitbandige photonische Strukturen zur Erzielung einer leistungsstarken Strahlungskühlung am Tag. Nano Lett. 13, 1457–1461 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

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Wir danken B. Hu für die Unterstützung bei der Erfassung von Infrarotbildern. Wir danken der zeitaufgelösten USAXS Beamline BL10U1 am SSRF (Shanghai Synchrotron Radiation Facility, China) für die Bereitstellung der Strahlzeit. Wir danken der National Natural Science Foundation of China (22072014, XD), den Fundamental Research Funds for the Central Universities (ZYGX2019J119, XD), dem Chengdu Science and Technology Bureau (2021-GH02-00105-HZ, Shenzhen Science and Technology Program (JCYJ20210324142210027, XD) und die Sichuan Outstanding Young Scholars Foundation (21JCQN0235, XD).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jianing Song, Wenluan Zhang.

Institut für Grundlagen- und Grenzwissenschaften, Universität für elektronische Wissenschaft und Technologie Chinas, Chengdu, 610054, China

Jianing Song, Wenluan Zhang, Zhengnan Sun und Mengyao Pan

School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 611731, China

Wenluan Zhang

Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Zhangjiang Lab, Shanghai Advanced Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, 201204, China

Feng Tian & Xiuhong Li

Materialphysik und Analytik, BASF Advanced Chemicals Co., Ltd. 333 Jiang Xin Sha Road, Pudong, Shanghai, 200137, China

Ming Ye

Shenzhen Institute for Advanced Study, University of Electronic Science and Technology of China, Shenzhen, 518110, China

Xu Deng

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JS, WZ und XD konzipierten die Forschung und gestalteten die Experimente. JS und WZ führten die Experimente durch und analysierten die Ergebnisse. ZS unterstützte bei Feldtests und der Produktion von Filmdaten. MP führte die FDTD-Simulation durch, FT und XL unterstützten die USAXS-Messungen, MY unterstützte die mechanischen Messungen. XD und WZ betreuten das Projekt. Alle Autoren analysierten und interpretierten die Daten und verfassten die Arbeit.

Korrespondenz mit Wenluan Zhang oder Xu Deng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Zhengmao Lu und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Song, J., Zhang, W., Sun, Z. et al. Dauerhafte Strahlungskühlung gegen umweltbedingte Alterung. Nat Commun 13, 4805 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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Eingegangen: 07. April 2022

Angenommen: 29. Juli 2022

Veröffentlicht: 16. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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