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在全球變暖和城市化進程加速的背景下，城市熱島效應(yīng)日益嚴重，建筑物的空調(diào)能耗成為二氧化碳排放的重要來源。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們不斷探索新型被動冷卻材料。近期，來自南洋理工大學(xué)的LiHong研究團隊開發(fā)出了一種創(chuàng)新的水泥基冷卻涂料（CCP-30），該涂料結(jié)合了輻射冷卻和蒸發(fā)冷卻的優(yōu)點，展現(xiàn)出卓越的冷卻性能和環(huán)境可持續(xù)性。成果發(fā)表在《Science》，以Research Article形式發(fā)表.

背景

傳統(tǒng)的輻射冷卻技術(shù)在干燥氣候中效果顯著，但在濕度較高的地區(qū)（如新加坡），其冷卻效果大幅降低，通常只能達到約20 W/m2的冷卻能力。此外，輻射冷卻的方向性使其在建筑外立面上的應(yīng)用受到限制。因此，研究人員希望通過結(jié)合輻射冷卻和蒸發(fā)冷卻的優(yōu)點，設(shè)計出一種新型的冷卻涂料，以提高在潮濕氣候條件下的冷卻效果。

CCP-30涂料

在這項研究中，研究團隊開發(fā)了CCP-30涂料，采用了改性水泥基結(jié)構(gòu)，利用水化硅酸鈣（C-S-H）網(wǎng)絡(luò)和硫酸鋇（BaSO4）納米顆粒，以提高涂料的太陽反射率和紅外發(fā)射率。具體實驗設(shè)計包括以下幾個方面：

• 材料制備：通過合理設(shè)計涂料的成分和結(jié)構(gòu)，確保其在不同濕度條件下的光學(xué)性能穩(wěn)定。

• 光學(xué)性能測試：采用掃描電子顯微鏡（SEM）和光學(xué)性能模擬，評估CCP-30的太陽反射率和紅外發(fā)射率。測試結(jié)果顯示，CCP-30在干燥狀態(tài)下的太陽反射率達到93%，在濕潤狀態(tài)下仍保持較高的反射率。

• 機械性能評估：通過調(diào)整水泥與水的比例（W/C比），優(yōu)化涂料的機械強度和耐久性。實驗結(jié)果表明，CCP-30在適當(dāng)?shù)?/span>W/C比下展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，能夠承受嚴苛的環(huán)境條件。

• 現(xiàn)場測試：在新加坡的熱帶氣候條件下，進行了一系列現(xiàn)場測試，將CCP-30涂料應(yīng)用于建筑物表面，并與商業(yè)輻射冷卻涂料（CRCP）和普通白色涂料（NWP）進行比較，評估涂料的冷卻效果、室內(nèi)溫度變化和電力節(jié)省。

• 環(huán)境影響評估：進行生命周期評估，分析CCP-30的碳足跡和環(huán)境影響，比較其與傳統(tǒng)涂料的可持續(xù)性。

出色的綜合性能

研究結(jié)果顯示，CCP-30在多個方面表現(xiàn)出色：

• 光學(xué)穩(wěn)定性：CCP-30在干燥狀態(tài)下的太陽反射率達到93%，在濕潤狀態(tài)下仍保持88%的反射率，顯示出優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性。

• 冷卻性能：在現(xiàn)場測試中，CCP-30的冷卻能力達到140 W/m2，顯著優(yōu)于CRCP（3到10倍），并在不同方向和濕度條件下保持穩(wěn)定的冷卻效果。

• 電力節(jié)省：實驗結(jié)果表明，使用CCP-30的建筑在不同天氣條件下實現(xiàn)了30%至40%的電力節(jié)省，尤其在高濕度條件下仍能有效降低室內(nèi)溫度。

• 機械強度：CCP-30在適當(dāng)?shù)?/span>W/C比下展現(xiàn)出良好的機械強度，能夠承受嚴苛的環(huán)境條件，且在多次干濕循環(huán)中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

• 環(huán)境影響：生命周期評估結(jié)果顯示，CCP-30的碳足跡比普通白色涂料低約65%，表明其在環(huán)境可持續(xù)性方面的優(yōu)勢。

總結(jié)與展望

本文的研究不僅為被動冷卻材料的開發(fā)提供了新的思路，也為應(yīng)對城市熱島效應(yīng)和減少建筑能耗提供了切實可行的解決方案。未來的研究可以集中在以下幾個方面：

• 進一步優(yōu)化材料性能：探索不同納米顆粒和添加劑的組合，以實現(xiàn)更高的冷卻效率和更好的耐久性。

• 擴展應(yīng)用范圍：將CCP-30應(yīng)用于不同類型的建筑表面、屋頂和道路等領(lǐng)域，以更廣泛地應(yīng)對城市熱島效應(yīng)。

• 多功能材料的開發(fā)：將CCP-30與其他功能性材料結(jié)合，開發(fā)出具有多重功能的建筑材料，以滿足現(xiàn)代建筑的多樣化需求。

• 智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)：將CCP-30與智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)結(jié)合，實時監(jiān)測建筑的溫度和濕度，自動調(diào)節(jié)涂料的性能，以實現(xiàn)更高效的能耗管理。

• 政策與標準的制定：制定相關(guān)的政策和標準，以規(guī)范涂料的生產(chǎn)和應(yīng)用，促進可持續(xù)建筑材料的使用。

• 全球推廣與應(yīng)用：在不同氣候條件下進行更多的現(xiàn)場測試和應(yīng)用示范，評估CCP-30在全球范圍內(nèi)的適用性和效果。

本文作者還展現(xiàn)了多學(xué)科知識綜合應(yīng)用，國內(nèi)以下單位的研究被提及引用：南京大學(xué)ZhuJia等；武漢大學(xué)Liukang等；河海大學(xué)GuYue等; 同濟大學(xué)DuJiang等；攀枝花學(xué)院TianCongxue等；青島理工HouDongshuai等；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)LiGenying等。

隨著全球氣候變化的加劇，開發(fā)高效的被動冷卻材料顯得尤為重要。南洋理工大學(xué)的CCP-30涂料為這一領(lǐng)域提供了新的解決方案，不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的冷卻性能，還在環(huán)境可持續(xù)性方面具有顯著優(yōu)勢。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的推廣，CCP-30有望在全球范圍內(nèi)發(fā)揮更大的作用，為建設(shè)可持續(xù)的城市環(huán)境貢獻力量。

Jipeng Fei et al. ,Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties. Science388,1044-1049(2025).