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Resfriamento radiativo durável contra o envelhecimento ambiental

May 30, 2023May 30, 2023

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4805 (2022) Citar este artigo

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Para lutar contra o aquecimento global, a tecnologia de arrefecimento radiativo diurno subambiente proporciona um caminho promissor para cumprir os objectivos de desenvolvimento sustentável. Para alcançar o resfriamento radiativo diurno subambiente, o reflexo da maior parte da luz solar é o pré-requisito essencial. No entanto, a elevada reflectância solar desejada é facilmente amortecida pelo envelhecimento ambiental, principalmente pela sujidade natural e pela irradiação ultravioleta da luz solar, causando uma cor amarelada para a maioria dos polímeros, tornando o arrefecimento ineficaz. Demonstramos uma estratégia simples de utilização de nanopartículas de dióxido de titânio, com resistência ultravioleta, formando morfologia porosa hierárquica por meio de montagem orientada por evaporação, o que garante um equilíbrio anti-sujeira e alta refletância solar, proporcionando revestimentos anti-envelhecimento à base de tintas refrescantes. Desafiamos os revestimentos de resfriamento em um teste de intemperismo acelerado contra simulações de 3 anos de sujeira natural e simulação de 1 ano de luz solar natural, e descobrimos que a refletância solar diminuiu apenas 0,4% e 0,5% em comparação com os revestimentos não envelhecidos. Mostramos ainda mais de 6 meses de envelhecimento em condições reais, quase sem degradação do desempenho de refrigeração. Nossa tinta de resfriamento antienvelhecimento é escalonável e pode ser revestida por spray na arquitetura e no recipiente externo desejado, apresentando resfriamento radiativo durável, promissor para aplicações no mundo real.

O nosso mundo não está a conseguir atingir o objetivo de 1,5 °C do Acordo de Paris porque as emissões globais de gases com efeito de estufa (GEE) ainda estão a aumentar1. Se não forem tomadas medidas urgentes para mitigar as emissões de GEE, algumas partes do mundo serão quase inabitáveis ​​para os seres humanos até ao final deste século2. Hoje em dia, mais de 10% das emissões de GEE provêm do arrefecimento e refrigeração de espaços convencionais3. À medida que o mundo aquece, mais de 13 novos dispositivos de refrigeração são instalados a cada segundo a nível mundial, o que cria mais emissões de GEE e substâncias que destroem a camada de ozono, agravando o aquecimento global4. Para lutar contra esse ciclo de feedback destrutivo, a tecnologia de resfriamento radiativo diurno subambiente (SDRC) oferece um caminho promissor. É realizado por um objeto voltado para o céu que reflete a maior parte da luz solar (dentro do comprimento de onda de 0,3 a 2,5 µm) e emitindo radiação infravermelha de onda longa (LWIR) fortemente para o universo frio através da janela de transparência atmosférica (dentro do comprimento de onda de 8–13 µm) 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Desta forma, o objeto pode ser resfriado passivamente abaixo da temperatura ambiente com zero entrada de energia e emissões de GEE.

O núcleo do SDRC reside na alta refletância solar (R̅solar ≥ 0,9), uma vez que apenas uma pequena porcentagem da absorvância solar pode efetivamente aquecer a superfície, mesmo que tenha emitância LWIR perfeita, ou seja, \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Fig. 1a). No entanto, é muito provável que este elevado R̅solar indispensável diminua, tornando esta tecnologia ineficaz, após os materiais SDRC serem expostos ao ambiente natural exterior durante apenas alguns meses, o que resulta essencialmente do envelhecimento ambiental natural22. Embora a capacidade do SDRC nos cenários ideais tenha sido demonstrada por diversos materiais, como filmes finos nanofotônicos5, compósitos dielétricos poliméricos apoiados em espelhos metálicos7, nanotêxteis poliméricos19,23,24, nanocelulose11 e revestimentos poliméricos porosos9,17,18, esses materiais foram raramente avaliado contra o envelhecimento ambiental, principalmente sujidade natural e irradiação UV da luz solar22. Dentre eles, a maioria dos polímeros para SDRC, mesmo sem considerar o efeito de escurecimento causado pela sujidade natural, não são resistentes à exposição prolongada aos raios UV, o que resulta em aparência amarelada diminuindo o R̅solar25. Embora o revestimento poroso à base de fluoropolímero para SDRC seja resistente a UV9,26, sua modesta natureza hidrofóbica limita o desempenho anti-sujeira27. Portanto, para levar o SDRC a aplicações do mundo real com durabilidade de longo prazo, além de propriedades ópticas excepcionais, são altamente desejadas excelentes resistências à sujeira/UV, preferidas juntamente com facilidade de fabricação e escalabilidade na forma de revestimentos à base de tinta.

 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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