新能源与高效节能

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，制冷技术已经在工业生产、农业、建筑、医疗、国防等诸多领域得到了广泛的应用。基于压缩制冷技术的空调虽然可以为我们提供舒适的生活环境，但是会减弱身体的调节能力和生理功能，引起疲劳、嗜睡、精神不振等问题，缺乏舒适感。并且压缩制冷技术需要消耗大量的电能，据发改委2019年统计：制冷用电量已占全社会用电量15%以上，并且该数据逐年递增。研发绿色环保的新型制冷技术，不仅可以为人类生活创造舒适的生活环境，还可以缓解能源紧缺的问题。我国地域广阔、冬季南北温差极大。华北地区夏季不仅长且湿度高，乃至整个东部地区夏季闷热，应优先发展新型制冷技术。被动辐射制冷技术是一种具有吸收物质热量并通过大气窗口将其辐射到外太空（～4 K）和限制物体吸收太阳能的制冷技术，具有无需外部提供能源、绿色环保等优点(2014, Nature, 515:540)。相对于工艺复杂、成本高的纳米光子薄膜( 2017, ACS Photon, 4:626)，聚合涂层在实现被动辐射冷却功能的材料中最具有应用前景(2017, Science, 355:1062)。目前，辐射冷却聚合物涂层已报到的制备方法有相反转(2018, Science, 362:315)、热诱导相分离( 2020, ACS Appl Mater Interface, 12: 25286)、静电纺丝(2021, Nat Nanotechnol, 16:153)和气凝胶(2021, Nano Lett, 21: 1493)等。虽然这些设计制冷有效，但是这些技术在制备高性能辐射冷却涂层仍然面临高成本、制造工艺复杂、难以量产等困难。 图1 非溶剂相分离法制备辐射冷却涂层：（A）原理、样品及表面结构，（B）全天辐射冷却性能和（C）发电应用（点亮95个LED灯）。 图2 非溶剂相分离法制备所得辐射冷却涂层的机械强度(A)、柔韧性(B)、延展性(C)、基底选择性(D)和耐疲劳性(E)分析。近期，申请人团队证实可以用非溶剂诱导相分离方法制备高性能辐射冷却涂层（图1A）。该方法具有制备工艺简单，成本低廉（< 3元/m2）、可以扩展、易量产等优点。不同于上述技术制备的具有各向同性微孔的辐射冷却涂层，该技术通过调控微孔尺寸和形貌，制备各向异性微孔涂层，有望实现冷却功率和定向制冷的功能。经实验验证，利用非溶剂相分离法制备的厚度仅为50微米辐射冷却涂层可以实现日间降温9.0℃，夜间降温10.1℃（图1B），通过改进薄膜性能有望实现普通房顶铺设20平米这样的薄膜实现室外温度37℃时，室内温度保持在25℃以下,该成果在Cell旗下子刊iScience上公开发表（2022, iScience, 25:104126）,制备方法申请专利1项（专利号：202011026516.5）。基于该辐射冷却技术和废热回收技术，我们还开发了一种热发电装置，可以使热电发电片（没有贴敷涂层的输出电压为零）点亮95个LED灯（图1C），申请国家发明专利1项（专利号：202111465677.9），同时正在申请欧洲专利。该涂层把热量排放到太空，不仅通过降温，缓解地球暖化现象，还可以用于发电，意义非常大，并且它还具有良好的机械强度、柔韧性、延展性、耐疲劳特性，可以抵抗基材结构变形，具有防水和防火的能力（图2）。

随着科学技术的发展和生活水平的提高，我们对制冷技术的需求在工、农、医等领域随处可见，例如芯片降温、汽车降温、建筑物降温等等。现在，环境冷却常用是电驱动的空调，不仅对能源消耗巨大，而且会进一步加剧温室效应。另外，目前市场上还有降温涂料、材料或者贴膜，它们都是通过增加太阳光的反射和减少对太阳光的吸收以降低对热量的吸收，降温性能有限。被动辐射制冷技术是一种具有吸收物质热量并通过大气窗口将其辐射到外太空（～4 K）和限制物体吸收太阳能的制冷技术，是一个纯物理降温过程，完全没有能源消耗，不会产生任何化学废物，绿色环保(2014, Nature, 515:540)。相对于工艺复杂、成本高的纳米光子薄膜( 2017, ACS Photon, 4:626)，聚合涂层在实现被动辐射冷却功能的材料中最具有应用前景(2017, Science, 355:1062)。市场上还没有类似的产品，只有国内外几个实验室在进行相关的研发工作。辐射冷却聚合物涂层已报到制备方法有相反转(2018, Science, 362:315)、热诱导相分离( 2020, ACS Appl Mater Interface, 12: 25286)、静电纺丝(2021, Nat Nanotechnol, 16:153)和气凝胶(2021, Nano Lett, 21: 1493)等。虽然这些设计制冷有效，但是在制备高性能辐射冷却涂层方面仍然面临高成本、制造工艺复杂、难以量产等困难。我们基于非溶剂相分离的方法制备的辐射冷却降温膜，是一个纯物理过程，利用现有的滚涂、刮涂等工艺就可以实现量化生产，具有制作工艺更简单，成本更低（每平米不超过3元），更适于量产的特点。该制备方法已经申请国家发明专利。制备的薄膜具有较好的柔韧性、延展性、机械强度、耐疲劳、轻薄特性，不会对降温对象外观有明显改变，甚至还有防水、防摔、耐火性，不易老化，寿命高、后期零投入的特性。由于我们设计的薄膜具有高柔韧性，质量轻，厚度薄的特点，可以贴在大部分电子设备、建筑物等表面不仅可以用于降温，还可以用于热发电（我们已经实验证实并申请专利）。我们设计了一种薄膜的制作成本低，在保证利润的情况下，用户贴满整个建筑物的花费约几千元，并且不需要后期维护和再投入，与用电成本相比花费更少，甚至可以创造价值，所以预计在我国大部分城镇和农村市场需求会非常大，尤其在我国华北和华东地区。我们国家明确提出了碳中和和碳达峰时间表，各省也相应的制定了碳中和和碳达峰计划。所以，从国家和各地方政府层面都非常关注新能源和节能产品的推广使用。我们设计的冷却薄膜环境友好，绿色环保，使用过程中没有任何温室或有害物质的排放，与国家的需求高度吻合，在推广过程中能够得到政府的支持，有利于产品的全面推广。