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環境劣化に対する耐久性のある放射冷却

May 30, 2023May 30, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 4805 (2022) この記事を引用

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3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

地球温暖化と戦うために、周囲環境以下の日中放射冷却技術は、持続可能な開発目標を達成するための有望な道を提供します。 周囲温度以下の日中の放射冷却を達成するには、ほとんどの太陽光を反射することが必須の前提条件です。 しかし、望ましい高い日射反射率は、主に自然の汚れや太陽光からの紫外線照射などの環境老化によって容易に低下し、ほとんどのポリマーが黄色がかった色を引き起こし、冷却が効果的でなくなります。 我々は、耐紫外線性を備えた二酸化チタンナノ粒子を使用し、蒸発駆動アセンブリによって階層的な多孔質形態を形成し、バランスのとれた防汚性と高い日射反射率を保証し、老化防止冷却ペイントベースのコーティングを実現するシンプルな戦略を実証します。 私たちは、模擬 3 年間の自然汚れと模擬 1 年間の自然太陽光に対して加速耐候性試験で冷却コーティングに挑戦しました。その結果、日射反射率は、老化していないものと比較して 0.4% および 0.5% しか低下しなかったことを発見しました。 さらに、実際の条件下で 6 か月以上経っても冷却性能がほとんど低下しないことを示しています。 当社の老化防止冷却ペイントは拡張性があり、屋外の建築物やコンテナにスプレーコーティングすることができ、耐久性のある放射冷却を実現し、現実世界の用途に有望です。

地球規模の温室効果ガス (GHG) 排出量が依然として急増しているため、私たちの世界はパリ協定の 1.5 °C 目標の達成に失敗しつつあります1。 GHG 排出量を削減するための緊急措置が講じられなければ、世界の一部の地域は今世紀末までに人間がほとんど住めなくなるでしょう2。 現在、温室効果ガス排出量の 10% 以上が従来の空間冷却および冷凍によるものです3。 世界の温暖化に伴い、世界中で毎秒 13 を超える新しい冷却装置が設置され、より多くの GHG 排出量とオゾン層破壊物質が発生し、地球温暖化を悪化させています4。 この破壊的なフィードバック ループと戦うために、準周囲日中放射冷却 (SDRC) テクノロジーが有望な方法を提供します。 これは、太陽光の大部分（波長 0.3 ～ 2.5 μm 以内）を反射し、大気透過窓（波長 8 ～ 13 μm 以内）を通して冷たい宇宙に長波赤外線（LWIR）放射を強く放射する空に面した物体によって実現されます。 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。 このようにして、エネルギー入力と GHG 排出をゼロにして、対象物を周囲温度以下に受動的に冷却することができます。

SDRC の核心は、高い日射反射率 (R̅solar ≥ 0.9) にあります。これは、完全な LWIR 放射率を備えている場合でも、わずか数パーセントの日射吸収率が表面を効果的に加熱できるためです。つまり \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (図 1a)。 しかし、この不可欠な高い R̅ ソーラーは、本質的に自然環境の老化の結果として、SDRC 材料が屋外の自然環境にわずか数か月間さらされただけで、衰退する可能性が非常に高く、この技術は無効になります 22。 理想的なシナリオにおける SDRC の能力は、ナノフォトニック薄膜 5、金属ミラーで裏打ちされたポリマー誘電体複合材料 7、ポリマーナノテキスタイル 19,23,24、ナノセルロース 11、多孔質ポリマーコーティング 9,17,18 などのさまざまな材料によって実証されていますが、これらの材料は環境劣化、主に自然の汚れや太陽光からの紫外線照射に対して評価されることはほとんどありません22。 その中で、SDRC 用のポリマーのほとんどは、自然の汚れによる黒ずみの影響を考慮していないとしても、長期の紫外線暴露に耐性がなく、その結果、外観が黄色くなり、R̅solar25 が低下します。 SDRC 用の多孔質フッ素ポリマーベースのコーティングは UV9,26 に対して耐性がありますが、その適度な疎水性により防汚性能が制限されます 27。 したがって、長期耐久性を備えた SDRC を実際の用途に向けて推進するには、優れた光学特性に加えて、優れた耐汚染性/耐紫外線性が非常に望まれており、塗料ベースのコーティングの形での製造の容易さと拡張性とともに推奨されます。

 0.931. However, we note that the energy proportion within UV region (wavelength of 0.28 to 0.4 µm) only accounts for 4.5% of the whole solar spectrum (Supplementary Fig. 1). Therefore, we can compensate the UV absorptance via suppressing the NIR absorptance by replacing polymer with air forming porous morphology. And we note that the refractive index of air (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) is lower than the one of common polymer binder (\({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) ≈ 1.5)32. According to the Snell’s law, large refractive index difference between two different mediums leads to high magnitude of light refraction. Thus, TiO2 NPs in air should scatter light more strongly than they do in polymers. To further evaluate this optical property theoretically, we numerically calculated the scattering efficiency (Qsca) of a single spherical TiO2 particle as a function of particle diameter across the solar spectrum based on Mie theory (details in Methods). We compared the Qsca of TiO2 particle in surrounding medium of either air or polymer with preset refractive indices (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1 and \({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1.5). We found that, within the solar spectrum, a single TiO2 particle could scatter sunlight more strongly in air than in polymer (Fig. 1b). Empirically, the magnitude of R̅solar is equivalent to the total magnitude of TiO2 NPs scattering, which is determined by the number of air/particle interfaces the light passes through. Therefore, for coatings with equal thickness composed of TiO2 NPs with the same size, high packing density (ϕ) of NPs, which means large number of air/particle interfaces, should be able to satisfy the second requirement (R̅solar ≥ 0.9). However, we note that the crowding of TiO2 NPs gives rise to the dependent scattering leading to a reduction of scattering efficiency, in contrast to independent scattering wherein the distance among the scattering particles large enough to ignore the scattering effect brought by the presence of neighboring particles33. This phenomenon is evident for a thin coating composed of NPs with high packing density, corroborated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations (Fig. 1c). In practice, to compensate this adverse dependent scattering effect, we can fabricate thick coating composed of particles with broad size distribution to increase the total scattering power (Supplementary Fig. 5). Nevertheless, continual increasing the ϕ of TiO2 NPs might not render higher R̅solar as expected intuitively. In another word, we should be able to obtain high R̅solar with ϕ lying in the medium region, neither very low nor high./p> 150°, indicating good non-wettability. In regime III, the scenario is just the opposite. The high ϕ leads to strong light scattering, a short path length, thus shallow penetration, which turns the light around relatively quickly. The high f leads to θapp < 150° indicating modest hydrophobicity, not beneficial to anti-soiling purpose. Therefore, regime II is preferred to be the design target to balance the desired high R̅solar and θapp./p>300 µm9 (Supplementary Fig. 9). By using the step-wise heating method, we obtained the cooling power of 84.9 ± 14.8 W m−2 under strong solar irradiance (Isolar) of 920 W m−2 (Supplementary Fig. 13). And by using the close-tracking heating method, we obtained the cooling power of about 95 W m−2 under strong sunshine from 11 AM to 4 PM (Supplementary Fig. 14)./p> 1000 W m−2, Supplementary Figs. 17 and 18). To mimic real-world operating condition, all field tests were performed without wind shield cover. We recorded the temperature difference (ΔT) between the coating sample (Tsamp) and ambient air (Tair), where ΔT = Tsamp − Tair. The ΔT of white paint coating increased from 0.3 to 4.7 °C after soiling. Even the porous fluoropolymer coating, as the state-of-the-art SDRC material, cannot retain its cooling ability against this soiling test, due to the modest hydrophobicity (Supplementary Figs. 19 and 20). Meanwhile, the \(\triangle T\) of our AACP coating increased just from −3.8 to −3.5 °C, barely affecting the cooling performance. Additionally, we dripped viscous mud, as ultra-heavy soiling agent, onto the AACP coating to show its excellent ability to reduce the accretion of soiling substances (Fig. 3c, Supplementary Fig. 21, Supplementary Movie 1). The accelerated weathering test was performed by 1000 h of UV exposure at 60 °C (Fig. 3d), equivalent to 1 year of Florida natural sunshine39. Owing to the UV resistance of TiO2 NPs and strong C − F bonds in PFOTS, the R̅solar of AACP coating only declined by 0.5% of the original one (from 0.925 to 0.920). The \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp and θroll were almost unchanged. As a comparison, the R̅solar of white paint coating declined by 5.4% (from 0.856 to 0.810), the \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) declined by 2.3% (from 0.944 to 0.922) (Supplementary Fig. 23)./p> 1000 W m−2). Insets show the temperature measurement setup and visual appearance of the tin boxes. For AACP coated tin box, ΔT  ≈ −5.2 °C (May 25th, 2021, Chengdu)./p>

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