當前，輻射冷卻技術雖然已在干燥、晴朗氣候條件下商業化應用，但在高濕、多云環境中（如新加坡）降溫效果顯著下降，且其方向性特征使其在建筑立面等區域冷卻效率有限。蒸發冷卻利用水的高汽化潛熱提供了一種非定向性冷卻機制，但現有的水凝膠類系統在結構穩定性、粘附性和使用壽命方面存在顯著缺陷。因此，亟需開發兼具輻射與蒸發冷卻能力，且結構穩固、易于涂刷、適應性強的冷卻涂層。為此，作者設計了一種以改性水化硅酸鈣網絡為基質的水泥基冷卻涂料（cement cooling paint, CCP），通過納米顆粒調控其熱光與質量傳輸性能，實現高反射率、高發射率、良好的儲水性與光學穩定性，并通過室外實測與能耗對比驗證了其在熱帶環境中的優越冷卻表現與顯著節能潛力。相關工作以Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties發表在Science期刊。

本文首先提出了集成輻射與蒸發冷卻的新策略，通過在水泥基結構中引入BaSO4納米顆粒和優化孔隙結構，實現了高反射率與高發射率的光學性能，并驗證了其在干濕狀態下的光學穩定性（圖1）。隨后，作者調控水膠比并引入PVA和氯化鋰以增強結構致密性和保水性，系統評估了涂層的力學性能與抗裂能力（圖2）。接著，研究考察了涂料的毛細吸水、自補水能力和蒸發行為，結合微型CT和熱分析手段揭示其穩定的水循環機制和冷卻方式（圖3）。在此基礎上，作者在實際戶外環境中進行了示范性建筑測試，對比分析了該涂料與傳統輻射冷卻涂料和普通白漆的降溫效果（圖4）。最后，通過電力消耗測試、能耗模擬和碳足跡評估，系統驗證了該涂料在熱帶氣候下的節能潛力和環境友好性（圖4）。

圖1.CCP-30的概念與光學性能。(A) 建筑輻射冷卻涂料與集成冷卻涂料的對比圖。P：功率；R：反射；Rad：輻射；Abs：吸收；Evp：蒸發；Pin：流入熱流。(B) C-S-H多孔結構和表面結合的納米顆粒的掃描電鏡圖。（插圖）散射效率模擬。(C) 多孔結構（直徑 = 1 μm）在干燥與濕潤狀態下的散射效率變化。（插圖）涂料基體（BaSO4、C-S-H凝膠）、水和空氣之間的折射率差異。(D) CCP-30在干燥與濕潤狀態下的太陽反射率光譜。(E) 納米顆粒（直徑約400 nm）在干燥與濕潤狀態下的散射效率變化。（插圖）孔隙邊界和納米顆粒在不同狀態下的協同散射示意圖。“高摻雜”表示更多納米顆粒。(F) 樣品在非水吸收波段中濕潤引起的反射率降低情況。誤差棒表示多次測量的標準差。(G) 在大氣窗口內的發射率光譜。（插圖）化學鍵類型及其振動范圍。

圖2.機械性能。(A) 示意圖展示較低水膠比在CCP-30中實現致密水泥顆粒分布的效果。(B) C-B-30和CCP-30樣品表面形貌的對比光學圖像。(C) 水蒸發導致的結構差異機制示意圖。(D) C-B-30與CCP-30的拉曼光譜對比。（插圖）局部放大圖。(E) 添加劑導致的水蒸發機制差異示意圖（淺灰色：原始水泥顆粒；深灰色：C-S-H 水化相）。(F) 透射電鏡圖像及相應的能譜分析（EDS）元素圖譜。(G) 第7天的機械強度對比。樣品“C”為純水泥樣品。

圖3.流體性能與冷卻機制。(A) 吸水量比較。誤差棒表示多次測量的標準差。(B) 通過吸水與微型CT掃描對孔隙網絡的評估。誤差棒表示三個樣品測量的標準差。(C) 水蒸發行為的差示掃描量熱分析結果。（插圖）純水的蒸發曲線。(D) 實驗裝置的示意圖（上）與熱成像圖（下；測量時間為上午11:30）。樣品在直射陽光下穩定30分鐘后測量。(E) 天氣狀況（上）與黑色吸收器表面溫度（下）。(F) 基于典型新加坡氣候條件下不同朝向的冷卻潛力比較。負的內部熱流表示需要主動制冷以維持設定邊界條件。

圖4.戶外測試。(A) 三個分別涂覆不同涂料的演示房屋的照片（上）和紅外圖像（下）。(B) 不同涂料在演示房屋上的三日冷卻性能測試（2023年5月12日至15日）。(C, D) 在可居住房屋（3×3×4米）中進行的節電測試，配備獨立電表和空調系統（EuropAce, EPAC 12C）。(E) 兩組三日節電測試（晴天和雨天：2023年8月11日至14日；雨天和多云：2023年8月15日至18日）的電力消耗數據?？照{設置為26 °C。(F) 2023年8月18日至9月16日為期一個月的用電量比較。(G) 模擬典型四層建筑在新加坡氣候下的全年節能情況。RC：屋頂涂覆；AC：立面全涂覆。(H) 通過生命周期評估得出的碳足跡分析。

小結：為突破傳統被動輻射冷卻涂料在潮濕多云環境中降溫性能不足的問題，本文提出并開發了一種融合輻射與蒸發冷卻機制的水泥基復合涂料。研究以水化硅酸鈣多孔網絡為基礎，結合硫酸鋇納米顆粒，實現高達93%的太陽反射率與95%的紅外發射率，并通過多尺度孔隙設計與PVA、氯化鋰等添加劑增強涂料的吸濕儲水能力和結構穩定性，確保其在干濕交替條件下仍具有優異的光學穩定性和力學性能。該涂料具備自補水能力，可利用雨水和空氣濕度持續實現蒸發冷卻。在新加坡的實地測試中，CCP-30展現出最高可達140 W/m2的冷卻能力，屋內溫度相比普通白漆降低超過4.5 °C。更在連續陰雨天氣下仍實現30–40%的空調能耗節省。能耗模擬與生命周期評估驗證了其良好的經濟性與環境適應性，為城市建筑提供了一種可規?；⒛陀们腋咝У谋粍永鋮s解決方案。

論文信息：Fei Jipeng, Li Hong* et al. Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties. Science, 388: 1044.

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