論文信息：

Xiaojie Liu, Won-June Lee, Daniel William Carne, Yanpei Tian, Andrea Felicelli, Yue Lei, Joseph A. Romo, Liyan You, Zixin Xiong, Orlando Gabriel Rivera Gonzalez, Abdulrahman Aljwirah, Qiaoqiang Gan, Jianguo Mei, and Xiu linRuan, High-Performance Low-Emissivity Paints Enabled by N-Doped Poly(benzodifurandione) (n-PBDF) for Energy-Efficient Buildings, ADVANCE FUNCTIONAL MATERIALS , (2025).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202419685

研究背景

隨著人口增長和城市化加速，建筑能源需求迅速上升，氣候變化進一步加重了建筑能源負擔。建筑約占全球能源消耗的40%和碳排放的33%，其中超過40%的建筑能源用于供暖、通風和空調（HVAC）系統。為實現《巴黎協定》的減排目標，必須解決這一問題。建筑熱調節主要有兩種策略：依賴高能耗空調的主動方法，以及使用先進材料自然調節熱傳遞的被動方法，如熱致變色窗戶等。墻壁在室內外熱交換中占比約25%，傳統材料散熱性高，易致溫度波動與不適。輻射冷卻材料僅在天空窗口波段(8-13 μm)具有高發射率，但未解決寒冷氣候中熱量流失的問題。低輻射涂料在中紅外甚至近紅外波段有低熱發射率，可減少熱交換。多數商用低輻射涂料用金屬材料實現低發射率，但存在外觀與性能衰退問題。雙層涂料雖有前景，卻因紅外透明粘合劑成本高難以擴展。導電聚合物面臨諸多挑戰，此前也無兼具可擴展、彩色、耐用的低輻射涂料。本文提出用新型導電聚合物n-PBDF，以可擴展、節能方式噴涂在商用涂料表面，展現出節能潛力。

研究內容

如圖1e，在商用彩涂表面覆一層n-PBDF膠體超薄層，其在0.8 μm以上波長反射率顯著提升，可減少近紅外太陽熱吸收（夏季節能），同時在中紅外波段（室溫熱輻射集中區）高反射，降低建筑與環境的熱交換，實現跨季節溫控。通過將n-PBDF噴涂在被商業黑色油漆包圍的印刷紙上的“P”圖案來可視化其低發射率，如圖1f。

圖 1.用于建筑熱調節的彩色低輻射涂料概念。涂有彩色低輻射涂料的建筑物墻壁與a)夏季和b)冬季周圍環境之間的熱交換過程示意圖。c,d)涂有低輻射涂料和商業涂料的墻壁的表面溫度與c)夏季和d)冬季的天空視因子(SVF)的函數關系。e)說明彩色低輻射涂料工作原理的示意圖。底層是彩色商業涂料，可提供所需的外觀以滿足審美需求。頂層是可見光透明的n-PBDF基涂層，在紅外區域具有高熱反射率。f)照片（左）和相應的紅外圖像（右）顯示低輻射“P”與具有高熱發射率的商用黑色涂料形成鮮明對比。

本文將n-PBDF與外墻彩色涂料結合，展現其在建筑和車輛涂層的節能及光學性能應用潛力。圖2a流程示意圖表明，先涂商用彩涂，再通過大規模噴涂覆蓋n-PBDF油墨溶液。圖2b-d中的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像描繪了商用黑色涂料、n-PBDF顆粒以及涂覆在商用黑色涂料上的n-PBDF層的表面形態。圖2e的原子力顯微鏡(AFM)圖像，證實n-PBDF顆粒呈均勻納米級（平均約28 nm），減少可見光散射、提升透光率。此外，采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜對四個不同樣品的表面化學進行了定性分析（圖2f）。圖2g顯示了n-PBDF油墨溶液在紫外-可見-近紅外 (UV-vis-NIR)區域的清晰吸收光譜，盡管稀釋了20倍以上仍有明顯的極化子吸收，近紅外區域吸收增強。

圖 2.低發射導電聚合物涂層工藝的示意圖和表征。a)將n-PBDF墨水大規模噴涂到預先涂有商業色油漆的各種基材上的示意圖。插圖顯示了環保的乙醇基n-PBDF油墨解決方案，適用于輕松放大。b–d)SEM圖像，說明b)商業黑色油漆，c)玻璃上的n-PBDF薄膜，以及d)黑色油漆層頂部的n-PBDF薄膜。e)在n-PBDF薄膜表面形成的納米級聚集體顆粒的直徑分布，上面板來自SEMc，d)和下面板來自AFM相位圖像，突出了平均直徑為≈28nm的納米顆粒特征。f)玻璃/黑漆基底的四種不同薄膜的ATRFT-IR光譜。g)稀釋超過20倍的n-PBDF油墨的UV-vis-NIR吸收光譜（插圖：連續稀釋的n-PBDF油墨溶液）。

圖 3.低輻射涂料在太陽光和MIR波長下的可調光學特性。a)低輻射黑色涂料、n-PBDF和商用黑色涂料的反射光譜。插圖顯示了他們的照片，所有樣品都涂在玻璃上。b)具有不同n-PBDF涂層厚度的低輻射黑色涂料的反射光譜。插圖顯示了他們的照片和相應的IR圖像。c)涂覆在載玻片上各種厚度的n-PBDF涂層的模擬透射率和反射率光譜。d)在不透明BaSO上涂有各種厚度的n-PBDF涂層的低e黑色涂料的模擬反射光譜4-丙烯酸輻射冷卻涂料。e)顯示商業色涂料和雙層低輻射涂料的照片。f)商業涂料（圓圈標記）和相應的不同顏色的低輻射涂料（三角形標記）的色度顯示在CIE1931色彩空間中。g)MIR區域中商業涂料（實線）和低e涂料（虛線）的反射光譜。

本文研究了在不透明黑色涂料層頂部涂有不同厚度n-PBDF涂層的雙層涂料的光學性能，揭示其降低商用涂料散熱率的功能。低輻射黑色涂料、商用黑色涂料和涂覆在載玻片上的純n-PBDF納米顆粒的反射光譜如圖3a所示。商用涂料在太陽和熱波長范圍內始終顯示低反射率。雙層低輻射涂料的散熱率可通過改變n-PBDF頂層的厚度來調節，如圖3b。圖3c顯示了四種不同n-PBDF涂層厚度的模擬光譜響應。四種厚度的反射率曲線幾乎相同，這是由于大的消光系數引起頂部表面的高邊界反射率和穿透薄膜的光的高吸收率。圖3d比較了BaSO4的模擬反射率無面漆的丙烯酸輻射冷卻涂料與四種不同厚度的n-PBDF涂料的對比。近紅外的反射率主要由n-PBDF在近紅外的大消光系數決定。作者設計的低輻射涂料的雙層結構允許在各種顏色的商用涂料上使用相同的n-PBDF組成的頂層，如圖3e-g所示。

圖 4.演示了低輻射涂料在人工熱和冷環境中的熱調節。a)說明兩面建筑墻之間的熱交換過程的示意圖。b,c)計算涂有低輻射黑漆和商用黑漆的墻壁表面溫度，作為相鄰建筑物表面溫度的函數b)夏季和c)冬季。插圖顯示墻和地面的簡化布局。d)面向熱板的低輻射涂料和商用黑色涂料的溫度響應實驗裝置。e,f)當e)熱板溫度從40 °C增加到70 °C和f)樣品與熱板之間的距離從20 cm變為5 cm時，具有不同n-PBDF涂層厚度的低輻射黑色涂料與商用黑色涂料的測量溫度。h，i)當h)冷板溫度從15 °C變為0 °C和i)樣品與冷板之間的距離從15 °C變為5 cm時測得的溫度。j)熱（左）和冷（右）環境中的溫度響應示意圖。k，l)低輻射和商用黑色涂料在轉移到k)熱和l)冷環境后的瞬態溫度響應。

圖4a說明了建筑物與其周圍環境（包括相鄰物體和地面）之間的傳熱過程，突出了在不同氣候條件下與商業涂料相比，低輻射涂料在穩定建筑溫度方面的優勢。圖4b-c分別說明了在炎熱和寒冷氣候下涂有低輻射涂料和商業涂料的建筑物面對相鄰物體的計算壁溫。低輻射涂料和商用涂料在受控的冷熱條件下的溫度響應與商用涂料相比更為廣泛，其在減少溫度波動方面的能力，如圖4d-i。

結論與展望

本研究展示了一種創新、可擴展且耐用的彩色低輻射涂料，其具有雙層結構，包括超薄的頂部n-PBDF涂層和彩色商用涂料基層，在保持美觀外觀的同時實現了顯著的熱調節。作為一種透明有機導體，在商用涂料上涂覆200 nm厚的n-PBDF薄頂層可將發射率從0.95抑制至0.19。此外，頂部n-PBDF層的涂層厚度可以調節，以調整所得涂料的熱發射率，這表明低輻射涂料的熱調節和設計具有顯著的靈活性。此外，作者研究的低輻射涂料與噴涂和刷涂等常見應用技術兼容，并能適應不同的表面幾何形狀，確保易于融入現有建筑實踐，從而降低安裝成本并促進廣泛采用。這種方法標志著節能建筑圍護結構的重大進步，在不犧牲設計美學的情況下增強了熱穩定性。

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