崔屹教授PNAS: 低发射率彩色涂料，供暖/制冷新选择

稀、饭 1年前 (2023-08-28) 2755浏览

1.【导读】

维持环境温度在一定范围内对人类社会来说意义重大，它不仅直接影响人体的舒适程度和工作效率，而且在储存和运输中也起着重要作用。据统计，空间供暖和制冷每年消耗约13%的全球能源，如何有效地减少空间与周围环境之间的热交换越来越受到人们的关注。其中，先进材料的开发极大促进了供暖和制冷节能方面的发展，例如各种具有低发射率的隔热材料。但目前先进的低发射率材料一般在可见光和红外波长范围内具有高反射率，其外观呈现金属银色或灰色，在实际应用中具有明显的审美局限性。因此，开发可以更广泛应用于实际节能应用的有色低发射率材料具有重要意义。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）等人开发了一种通用的双层彩色低发射率涂料。丰富多彩的外观提供了可与传统涂料相媲美的美学效果，同时实现了中红外波长范围内的高反射率，有效降低了与外部环境的热量交换。相关研究成果以“Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings”为题发表在Proceedings of the National Academy of Sciences期刊上。

3.【核心创新点】

  1. 开发了一种低发射率彩色涂料，制备的双层涂层保证美观的同时，可以提供10倍于传统涂料的中红外反射率，具有良好隔热效果。
  2. 2. 该彩色涂料可实现供暖、通风、空调正向节能，节能率可达到7.4%。
  3. 该涂料的多功能性以及对各种形状和材料的适用性，使其可以在各种场景中广泛使用。

4.【数据概览】

图1. 工作机理示意图及样品展示。© 2023 National Academy of Science

（A）低发射率彩色涂料的工作机理图解。

（B）所设计的双层涂层结构示意图。

（C）配制的底层及顶层涂层溶液照片。

（D）不同涂层溶液喷涂制备的涂层照片（单层底层及双层）。

（E）使用低发射率彩色涂料制备的斯坦福大学Logo照片。

图2. 形貌及光学性能表征。© 2023 National Academy of Science

（A）纯Al微片涂层的表面SEM图像。

（B）彩色（红色）双层低发射率涂层的SEM图像：底部为Al微片涂层，顶部为Fe2O3纳米颗粒涂层。

（C）双层红色低发射率涂层的截面SEM图像。

（D）玻璃基板上单层Al微片涂层和双层低发射率涂层在中红外波长范围内的总反射率。

（E）玻璃基板上单层Al微片涂层和双层低发射率涂层在可见光和近红外波长范围内的总反射率。

（F）不同基材上彩色双层低发射率涂层在中红外波长范围内的总反射率。

图3. 实际应用的可行性评估。© 2023 National Academy of Science

（A）纯Al微片涂层和不同颜色彩色双层低发射率涂层的水接触角。。

（B）高低温试验前后测量样品的中红外光谱。

（C）酸碱试验前后测量样品的中红外光谱。

（D）色牢度试验（连续水冲洗法）测试样品质量变化。

（E）受污染样品可以很容易通过湿擦拭和水冲洗进行清洗。

（F）涂有彩色低发射率涂层的不同材质、不同形状物体。

图4. 人工冷/热环境下的隔热演示。© 2023 National Academy of Science

（A）安装电加热器的模拟建筑和涂有不同表面涂层的模拟建筑照片。

（B）冷环境下热损失试验示意图。

（C）电加热器所需功率密度测试。

（D）热环境下热增益试验示意图。

（E）涂有不同表面涂层载重汽车的温度增长曲线。

（F）热增益试验期间测量的冰块质量变化。

（G）40分钟测试期间，涂有不同表面涂层的货箱中冰块融化情况照片。

图5. 在美国不同的气候区，涂有彩色低发射率涂料的公寓建筑节能计算图。© 2023 National Academy of Science

（A）供暖节能。

（B）制冷节能。

（C）风扇节能。

（D）供暖、通风和空调系统总节能。

5.【成果启示】

为了提供传统涂料的替代品和通用的节能解决方案，作者提出了一种彩色的低发射率涂料。该涂料可以用于制造低发射率的双层涂层，同时显示出丰富多彩的视觉外观。高的中红外反射率显著增强了封闭空间的辐射隔热，有效地降低了从外部环境获得或损失的热量。除了美观之外，该工作在供暖/制冷和节能之间建立了有效的平衡，减少了维持室内环境温度的能源消耗。兼具美观与节能的涂料，对空间供暖/制冷和相关碳中和的发展具有重要的借鉴和启示意义。

原文详情：Peng, Yucan, et al. Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings. Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300856120。

本文由famous程供稿。

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