環境劣化に対する耐久性のある放射冷却

Nature Communications volume 13、記事番号: 4805 (2022) この記事を引用

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地球温暖化と戦うために、周囲環境以下の日中放射冷却技術は、持続可能な開発目標を達成するための有望な道を提供します。 周囲温度以下の日中の放射冷却を達成するには、ほとんどの太陽光を反射することが必須の前提条件です。 しかし、望ましい高い日射反射率は、主に自然の汚れや太陽光からの紫外線照射などの環境老化によって容易に低下し、ほとんどのポリマーが黄色がかった色を引き起こし、冷却が効果的でなくなります。 我々は、耐紫外線性を備えた二酸化チタンナノ粒子を使用し、蒸発駆動アセンブリによって階層的な多孔質形態を形成し、バランスのとれた防汚性と高い日射反射率を保証し、老化防止冷却ペイントベースのコーティングを実現するシンプルな戦略を実証します。 私たちは、模擬 3 年間の自然汚れと模擬 1 年間の自然太陽光に対して加速耐候性試験で冷却コーティングに挑戦しました。その結果、日射反射率は、老化していないものと比較して 0.4% および 0.5% しか低下しなかったことを発見しました。 さらに、実際の条件下で 6 か月以上経っても冷却性能がほとんど低下しないことを示しています。 当社の老化防止冷却ペイントは拡張性があり、屋外の建築物やコンテナにスプレーコーティングすることができ、耐久性のある放射冷却を実現し、現実世界の用途に有望です。

地球規模の温室効果ガス (GHG) 排出量が依然として急増しているため、私たちの世界はパリ協定の 1.5 °C 目標の達成に失敗しつつあります1。 GHG 排出量を削減するための緊急措置が講じられなければ、世界の一部の地域は今世紀末までに人間がほとんど住めなくなるでしょう2。 現在、温室効果ガス排出量の 10% 以上が従来の空間冷却および冷凍によるものです3。 世界の温暖化に伴い、世界中で毎秒 13 を超える新しい冷却装置が設置され、より多くの GHG 排出量とオゾン層破壊物質が発生し、地球温暖化を悪化させています4。 この破壊的なフィードバック ループと戦うために、準周囲日中放射冷却 (SDRC) テクノロジーが有望な方法を提供します。 これは、太陽光の大部分（波長 0.3 ～ 2.5 μm 以内）を反射し、大気透過窓（波長 8 ～ 13 μm 以内）を通して冷たい宇宙に長波赤外線（LWIR）放射を強く放射する空に面した物体によって実現されます。 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。 このようにして、エネルギー入力と GHG 排出をゼロにして、対象物を周囲温度以下に受動的に冷却することができます。

SDRC の核心は、高い日射反射率 (R̅solar ≥ 0.9) にあります。これは、完全な LWIR 放射率を備えている場合でも、わずか数パーセントの日射吸収率が表面を効果的に加熱できるためです。つまり \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (図 1a)。 しかし、この不可欠な高い R̅ ソーラーは、本質的に自然環境の老化の結果として、SDRC 材料が屋外の自然環境にわずか数か月間さらされただけで、衰退する可能性が非常に高く、この技術は無効になります 22。 理想的なシナリオにおける SDRC の能力は、ナノフォトニック薄膜 5、金属ミラーで裏打ちされたポリマー誘電体複合材料 7、ポリマーナノテキスタイル 19,23,24、ナノセルロース 11、多孔質ポリマーコーティング 9,17,18 などのさまざまな材料によって実証されていますが、これらの材料は環境劣化、主に自然の汚れや太陽光からの紫外線照射に対して評価されることはほとんどありません22。 その中で、SDRC 用のポリマーのほとんどは、自然の汚れによる黒ずみの影響を考慮していないとしても、長期の紫外線暴露に耐性がなく、その結果、外観が黄色くなり、R̅solar25 が低下します。 SDRC 用の多孔質フッ素ポリマーベースのコーティングは UV9,26 に対して耐性がありますが、その適度な疎水性により防汚性能が制限されます 27。 したがって、長期耐久性を備えた SDRC を実際の用途に向けて推進するには、優れた光学特性に加えて、優れた耐汚染性/耐紫外線性が非常に望まれており、塗料ベースのコーティングの形での製造の容易さと拡張性とともに推奨されます。

a さまざまな太陽光発電の周囲温度の関数としての正味冷却能力。 理論計算は、定常状態の熱伝達平衡解析に基づいています (詳細は「方法」を参照)。 R̅solar < 0.9 の場合、材料が完全な \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}\) を持っていたとしても、周囲温度以下の冷却を達成することは困難です。 b 異なる散乱媒体における 0.3 ～ 2.5 μm の波長範囲にわたる粒子直径の関数としての、単一の TiO2 球状粒子の散乱効率。 c シミュレートされた反射率曲線と、厚さ 2 μm のフィルムの TiO2 ナノ粒子 (NP) 充填密度 (ϕ) の関数として得られた R̅solar 値。 破線の円内の反射率の低下傾向は、粒子の密集による依存的な散乱効果によるものです。 d TiO2 表面の見かけの水接触角 (θapp) と固有ヤング接触角 (θY) の関係。 e 3 つの提案されたレジーム (I、II、III) から生じる ϕ の関数として予想される R̅solar と θapp。 R̅solar と θapp の間のトレードオフにより、レジーム II が優れた放射冷却性能と防汚性能を同時に得る設計目標となります。 依存散乱の程度により、ϕ が大きい場合の R̅solar の変動を予測するための複雑さが加わります。 したがって、e では、日射反射率データ曲線の破線は、考えられる変動傾向を示しているだけです。

この研究では、上記の困難な要件に応えて、疎水性二酸化チタン (TiO2) ナノ粒子 (NP) で構成され、蒸発によって組み立てられた階層的多孔質形態を特徴とする老化防止冷却ペイント (AACP) ベースのコーティングを実証します。 これらは、実際の条件下で 3 年間の自然汚れ、1 年間の自然日光、および 6 か月以上の老化を模擬した加速耐候性試験にさらされた後でも、優れた冷却能力を示します。 当社の AACP は、拡張可能な方法でさまざまな基材にスプレーおよび塗装できるサスペンションであり、商業用途に有望です。

私たちは 3 つの基準に基づいて AACP を設計しました: (1) 材料は本質的に紫外線放射に対して耐性がなければなりません、(2) 派生したコーティングは R̅solar ≥ 0.9 を持たなければなりません、そして (3) コーティング表面は物質の付着を減らすことができなければなりません (例: 一般的な汚れ汚染物質)。 最初の基準を満たすために、ほとんどの一般的なポリマーは UV 光に反応し、長期間 UV にさらされると黄色がかってしまうため、配合にポリマーバインダーを使用しないことにしました 25。 代わりに、ルチル型 TiO2 NP を使用して多孔質コーティング層を形成しました。 TiO2 NP は強い光散乱 (屈折率 \({n}_{{{{{{\rm{Ti}}}}}}{{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{ 2}}\) ≈ 2.7)、UV 緩和コンポーネントとして一般的に使用され、市販されており、コスト効率が高い 28。 TiO2 は 1970 年代から日中の放射冷却について研究されてきましたが、直射日光の下で周囲温度以下の冷却を実現する能力が欠如しているため、その実用的な価値は非常に限られています 29。 TiO2 に基づく直射日光下での周囲以下の放射冷却は、R̅太陽を強化するための蛍光粒子と \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}) を高めるためのシリカ微小球を追加することによって、ごく最近になって実現されました。 }}}}\)30、より複雑な TiO2 ベースの放射冷却ペイントを作成します。 従来、TiO2 NP の UV 吸収率と一般的なポリマーバインダーの近赤外線 (NIR) 吸収率は、ペイントベースのコーティングで R̅solar > 0.931 を達成するには悪影響を与えると考えられていました。 ただし、UV領域（波長0.28〜0.4μm）内のエネルギー割合は、太陽スペクトル全体の4.5％しか占めていないことに注意してください（補足図1）。 したがって、ポリマーを多孔質形態を形成する空気に置き換えることによって近赤外吸収率を抑制することで、紫外線吸収率を補償することができます。 そして、空気の屈折率 (\({n}_{{{{{\rm{air}}}}}\) = 1) が一般的なポリマーバインダーの屈折率 (\( {n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}\) ≈ 1.5)32. スネルの法則によれば、2 つの異なる媒質間の屈折率の差が大きいと、光の屈折が大きくなります。 したがって、空気中の TiO2 NP はポリマー中よりも強く光を散乱するはずです。 この光学特性を理論的にさらに評価するために、ミー理論に基づいて、太陽スペクトル全体にわたる粒子直径の関数として単一の球状 TiO2 粒子の散乱効率 (Qsca) を数値計算しました (詳細は「方法」を参照)。 あらかじめ設定された屈折率 (\({n}_{{{{{\rm{air}}}}}}\) = 1 と \( {n}_{{{{{\rm{polym}}}}}}\) = 1.5)。 私たちは、太陽スペクトル内で、単一の TiO2 粒子がポリマー中よりも空気中の方が太陽光をより強く散乱できることを発見しました（図 1b）。 経験的に、R̅solar の大きさは TiO2 NP 散乱の合計の大きさに等しく、光が通過する空気/粒子界面の数によって決まります。 したがって、同じサイズの TiO2 NP で構成される等しい厚さのコーティングの場合、NP の高い充填密度 (ϕ)、つまり多数の空気/粒子界面が 2 番目の要件 (R̅solar ≥ 0.9) を満たすことができるはずです。 ただし、隣接する粒子の存在によってもたらされる散乱効果を無視できるほど散乱粒子間の距離が大きい独立散乱とは対照的に、TiO2 NP の密集により散乱効率の低下につながる依存散乱が発生することに注意してください。 。 この現象は、高充填密度のNPで構成される薄いコーティングで明らかであり、時間領域有限差分（FDTD）シミュレーションによって裏付けられています（図1c）。 実際には、この有害な依存散乱効果を補償するために、幅広いサイズ分布を持つ粒子で構成される厚いコーティングを製造して、総散乱力を高めることができます（補足図5）。 それにもかかわらず、TiO2 NP の ϕ を継続的に増加させても、直感的に予想されるほど高い R̅solar が得られない可能性があります。 言い換えれば、ϕ が非常に低くも高くもなく、中程度の領域にある高い R̅solar を得ることができるはずです。

物質の付着を低減する能力の最後の基準を満たすために、非濡れ性によって低い表面付着力を得ることが目的です27,34,35。 ここで、支配方程式は Cassie-Baxter モデル (補足図 2、10、および 11)、つまり cos θapp = f (1 + cos θY) −1 に基づいています。ここで、θapp は見かけの接触角、θY はヤングの接触角です。接触角、および液体-固体接触率 (詳細は「方法」を参照)。 図1dに示すように、元の平らで滑らかなTiO2表面のθYはわずか〜1°です。 非濡れ表面の臨界値である 150° の θapp を達成するには、f < 10% である必要がありますが、これは拡張可能な実用化にとって非常に困難です。 フッ素化された平坦で滑らかな TiO2 表面のθY は約 120°であり、非濡れ性を実現するために f の臨界値は約 0.3 まで増加し、θapp ≥ 150°となり、多孔質表面トポロジーが潜在的な候補になります。

これまで、非濡れ性は、ランダムに充填されたフッ素化 TiO2 NP から階層的な表面形態を構築することによって実現されていました 36。 しかし、単に表面形状をチューニングするだけでは、上記の3つの条件（耐紫外線性、高いR̅日射性、優れた非濡れ性）を同時に実現するという目標を達成することはできません。 したがって、耐久性のある放射冷却性能を得るには、表面形態に加えて、バルク形態およびそれに関連する光学特性および濡れ特性を総合的に考慮する必要があります。 コーティングの表面とバルクが同様の形態を所有していると考えます。したがって、fの大きさはϕの大きさに正比例するはずです（補足図6）。 したがって、定性分析の観点から、図1eの概略図に示すように、ϕとfの大きさが3つの異なる領域につながることを提案し、R̅solarとθappがTiO2 NPの充填密度（ϕ）の関数として変化すると予想します。 ）これら 3 つの体制から生じたものです。 各レジームは、図1fに示されている概略図に対応するR̅solarとθappの特徴的なセットを特徴とし、仮定された光路と液体-固体接触界面を備えています。 レジーム I では、φ が低いため光の散乱が比較的弱いため、光の経路長が長くなり、コーティング内に深く浸透し、基板に到達して光透過が生じる可能性があります。 同時に、f が低いため θapp > 150° となり、非濡れ性が良好であることを示しています。 レジーム III では、シナリオはまったく逆になります。 Φが大きいと、光の散乱が強くなり、光路長が短くなるため、浸透が浅くなり、光の向きが比較的早く変わります。 f が高いため、θapp < 150°となり、適度な疎水性を示し、防汚目的には有益ではありません。 したがって、レジーム II は、望ましい高い R̅solar と θapp のバランスをとるための設計目標であることが好ましい。

これらの原理に基づき、0.3 µm を中心としたサイズ分布を持つ TiO2 NP を選択して AACP を作成しました。 この幅広いサイズ分布は、TiO2 NP がミー共鳴の集合効果によって太陽スペクトル内の光を強く散乱するのに役立つだけでなく 24 (図 2a、補足図 5)、堅牢な非ナノ粒子のマイクロ/ナノ粗さを得るのにも役立ちます。濡れ性３６． TiO2 NP とパーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFOTS) をエタノールに混合して、AACP 懸濁液を作成しました。 この懸濁液を基板上に滴下し、エタノールを蒸発させて均一なコーティング層を形成しました (詳細は「方法」を参照)。 図2bに示すように、コーティングはTiO2 NPが2つの長さのスケールで集合し、マイクロ/ナノ粗さを形成していることを示しています。 超小型 X 線散乱 (USAXS) は、コーティングのバルク形態を特徴付けるために実装され、階層的な多孔質の性質を示し、~110 および 350 nm の 2 つの異なる長さスケールを持つ空気細孔を特徴としています (詳細は方法) (補足図 7)。 PFOTS（図2c）は、シラン化によってTiO2 NPの表面にグラフトされており、透過型電子顕微鏡（TEM）でぼやけた外層として示されています（図2d）。 シラン化反応は、フッ素成分を追加して AACP コーティングの表面エネルギーを低下させるだけでなく、炭素 - フッ素 (C − F)、炭素 - 炭素 (C − C ）、7〜10μmの間のシリコン-酸素（Si - O）およびシリコン-酸素-シリコン（Si - O - Si）結合（図2eおよびf、および補足図8）37。 図2gに示すように、AACPコーティングの光学特性と濡れ特性をTiO2 NPの充填密度（φ0.33から0.53）の関数として評価しました。 TiO2 NP の高密度充填により R̅solar は ~0.94 まで上昇しますが、\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}\) (~0.97) は影響を受けません。 ϕの変化。 158° から 153° に減少する θapp の変化は、大きな接触角に比べて重要ではないため、補数としてロールオフ角 (θroll) を測定しました 38 。1.2° から 4.0° への上昇傾向が示されました。 これらの結果は、図1eに示すように、最適な光学特性と濡れ特性を得るために約0.45を中心とするϕの範囲をレンダリングする予想と一致していることに注意してください。 具体的には、ϕ ≈ 0.45 で、R̅solar = 0.93 ± 0.02 および \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}) の超撥水 AACP コーティングを日常的に製造できます。 }}}\) = 0.97 ± 0.01 であり、再現性が高くなります。 そして、これらの優れた光学特性をわずか約100μmのコーティング厚で実現しました。これは、通常>300μmのポリマーSDRCコーティングよりもはるかに薄い9（補足図9）。 段階的加熱法を使用することにより、920 W m-2の強い太陽放射照度（アイソラー）下で84.9 ± 14.8 W m-2の冷却能力が得られました（補足図13）。 また、近接追尾加熱法を用いることにより、午前11時から午後4時までの強い日差しの下で約95 W m−2の冷却能力が得られました（補足図14）。

TiO2 NP サイズ分布 (動的光散乱によって特徴付けられる) と、粒子サイズと入射光の波長の関数として計算された散乱効率 (Qsca)。 さまざまなサイズの粒子からの強い散乱ピークは、高い太陽反射率 (R̅solar) を優先して太陽スペクトル全体をカバーします。 b マイクロ/ナノ粗さを形成する TiO2 NP で構成された AACP コーティング表面を示す走査型電子顕微鏡画像。 c PFOTS の構造を示すワイヤーフレーム。 d TiO2 NP の表面にグラフトされたフッ化物成分を示す TEM 画像。 e フーリエ変換赤外吸収スペクトル。フッ素化による 7.35 ～ 10 μm の CF 伸縮振動を示し、対応する波長範囲で AACP コーティングの高い放射率をもたらします。 TiO2 NP の充填密度 (ϕ) の関数としての g R̅solar、\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)、θapp および θroll。 影付きの領域は、最適な光学特性と濡れ特性を実現するための ϕ の範囲を表します。

AACP の最も効果的な用途の 1 つは、冷却屋根材として使用されると考えられています。 クール屋根材の実際の経年劣化には、主に汚れや風化が含まれます。 汚れは主に、浮遊カーボン ブラック、粉塵、有機粒子 (POM) の堆積、および微生物の増殖によって発生します。 風化は主に自然太陽光の紫外線照射にさらされることと、湿気や昼夜の温度変化を伴うことで起こります。 屋根材が R̅solar および \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}) の準定常状態に達するには、非常に長い時間がかかり、通常は数年かかります。 }}}\)39. したがって、AACP の耐老化性能を定量的に評価するために、ASTM D7897-18 規格 (詳細は「方法」) に基づいて加速汚れ試験および耐候性試験を実施しました。この試験は、特に R̅solar および \( {\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) の屋根材の使用を促進します。これは、3 年間の自然な汚れと 1 年間のフロリダの自然の日光に相当します40 。 この基準（補足図16）に従って、汚れ（煤、粉塵、POM、塩の混合物）と風化（50℃で4時間の模擬雨、340nmで0.89W m−2のUVで8時間、および60 °C) でコーティングのサンプルを採取し、R̅solar を測定しました。 AACP コーティングの R̅solar は、汚れていないコーティングと比較して 0.4% だけ減少したことがわかりました (0.930 から 0.926)。 一方、比較として、高反射白色ペイントコーティングの R̅solar は 9.0% 減少しました (0.866 から 0.788、図 3a)。 白色ペイントの R̅solar の減少は許容できるように思えるかもしれません。 ただし、以前に指摘したように（図1aを参照）、SDRCを実現するには、R̅solarが≧0.9である必要があります。これは、915 W m−2の強いアイソラ下でのこれらのコーティングサンプルの温度測定で明らかです（図3b、ピークアイソラ > 1000 W m−2、補足図 17 および 18)。 実際の動作条件を再現するために、すべてのフィールドテストは風防カバーなしで実行されました。 コーティングサンプル (Tsamp) と周囲空気 (Tair) の間の温度差 (ΔT) を記録しました。ここで、ΔT = Tsamp − Tair。 汚れ後の白色ペイントコーティングのΔTは0.3℃から4.7℃に増加しました。 最先端の SDRC 材料である多孔質フッ素ポリマーコーティングでさえ、疎水性が適度であるため、この汚れテストに対して冷却能力を維持できません（補足図19および20）。 一方、AACP コーティングの \(\triangle T\) は、-3.8 °C から -3.5 °C に上昇するだけで、冷却性能にはほとんど影響を与えませんでした。 さらに、超重度の汚れ剤として粘性泥を AACP コーティング上に滴下し、汚れ物質の付着を軽減する優れた能力を示しました（図 3c、補足図 21、補足ムービー 1）。 促進耐候性試験は、60 °C で 1,000 時間の UV 曝露によって実行されました (図 3d)。これは、フロリダの自然太陽光の 1 年分に相当します 39。 TiO2 NP の耐紫外線性と PFOTS の強力な C - F 結合により、AACP コーティングの R̅solar は元の値の 0.5% (0.925 から 0.920) だけ低下しました。 \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)、θapp、θroll はほとんど変化しませんでした。 比較として、白ペイント コーティングの R̅solar は 5.4% (0.856 から 0.810 に) 減少し、\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}} \) は 2.3% 減少しました (0.944 から 0.922 へ) (補足図 23)。

ASTM D7897-18 規格に基づく加速汚れ試験後の R̅solar は、3 年間の自然汚れに相当します。 汚れた AACP コーティングは、汚れていないものと比較して、ほぼ無傷の R̅solar を示しました。 挿入図は、汚れの前後のコーティングサンプルの視覚的外観を示しています。 b AACPコーティングの優れた防汚性能を示すコーティング温度の測定（2021年8月23日、成都）。 c 粘度の高い泥が AACP コーティング上から滴り落ち、優れた自己洗浄機能を示しました。 d 1000 時間の UV 曝露（340 nm、60 °C で 0.89 W m-2）後の AACP コーティングの光学特性と湿潤特性はほとんど変化せず、これは 1 年間のフロリダの自然太陽光に相当します。

シミュレーションによる老化とは異なり、現実世界の老化はより複雑です。 汚れと風化は相乗的に老化の進行を促進します39。 模擬経年劣化の限界を補うために、中国の成都（高温多湿な気候）と西安（乾燥して高温な気候）で6か月以上の屋外暴露を実施し、実際の経年劣化に対するコーティングの耐久性をテストしました。 (図4a、b、および補足図25)。 すべてのコーティングスライドは、未露光/(露光、洗浄)/(露光、未洗浄)の 3 つの領域に分割されました。 すべてのサンプルの \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) はわずかな減少しかありませんでした。 白色ペイントコーティングの場合、3 つの領域の R̅solar は 0.832/0.769/0.725 で、それぞれ 7.6% と 12.9% の減少を示しました。 注目すべきことに、AACP の減少はわずか 0.4% と 1.7% (0.931/0.927/0.915) でした。 AACP コーティングのセルフクリーニング特性に関しては、エージング後も θapp は 150° 以上、θroll は 5° 以下に留まりました。

a 写真と b 6 か月の屋外暴露後の AACP および白色ペイント コーティングの光学特性と湿潤特性 (成都、北緯 30 度 40 分 36 秒、東経 104 度 6 分 28 秒、2021 年 4 月 25 日から 11 月 10 日まで) ）。 コーティングスライド（5×15cm）を未露光/（露光、洗浄）/（露光、未洗浄）の3つの領域に分割することにより、環境劣化に対するコーティングの光学特性と湿潤特性を研究しました。 c スプレーコーティングおよび d AACP コーティングされた屋外壁タイル (40 × 80 cm) のデモンストレーション。 挿入図は、AACP コーティングされたタイルの温度低下を示す赤外線画像です (2021 年 10 月 29 日、中国広州)。 e AACP コーティングされたブリキの箱 (47 × 32 × 32 cm) は、SDRC を実証する概念実証として機能しました。 平均アイソラーは 945 W m-2 (ピークアイソラー > 1000 W m-2) でした。 挿入図は、温度測定のセットアップとブリキの箱の外観を示しています。 AACP コーティングされたブリキ箱の場合、ΔT ≈ −5.2 °C (2021 年 5 月 25 日、成都)。

「塗料+接着剤」戦略を利用することで、AACPコーティングの機械的安定性をさらに強化しました（補足図26）36、41。 接着剤の層はAACPコーティングを基材に強力に接着し、高速ウォータージェット、テープ剥離、砂落ち摩耗、および引っかき試験に対する堅牢性を実現します（補足図27〜30、補足表2、および補足ムービー3）。 当社の AACP 配合物は、建物の外壁 (図 4c)、ガラス、金属、木材、プラスチックなどのさまざまな基材にドロップ/ディップ キャスト、スプレーすることができます。 基材の材料に関係なく、優れた R̅solar 値 (~0.92) が得られることに注目します (補足図 32 および補足表 3)。これにより、当社の AACP は屋外の屋根材に最適です。 具体的には、スケーラブルな方法で冷却性能を実証するために、6 枚の AACP コーティングされた屋外壁タイルを製造しました (図 4d、補足図 33 および 34、補足ムービー 4 および 5)。 さらに、概念実証として、AACPでコーティングされたブリキ箱の内気温度を正午に測定し、冷屋根材としての大きな可能性を示しました（図4e）。

要約すると、我々は、蒸発駆動で組み立てられた TiO2 NP を通じて、塗料の形で過酷な環境老化に対する耐久性のある放射冷却コーティング、すなわち老化防止冷却塗料 (AACP) を実現するための戦略を実証します。 当社の AACP は、疎水性を備えた既存の放射冷却材料とは根本的に異なります (補足表 4)。コーティングにポリマーバインダーが存在しないため、UV 劣化の問題が完全に回避されるだけでなく、TiO2 と TiO2 の間の屈折率の差がはるかに大きくなります。多孔質ポリマー SDRC 材料と比較して空気により光散乱能力が大幅に向上するため、非常に薄いコーティングで直感に反する高い R̅ソーラーを得ることができます。 蒸発により集合したフッ素化 TiO2 NP によって形成された階層的形態は、自己相似の特徴を有し、屋外での経年劣化に対する耐久性のある自己洗浄機能を保証します。 単純な製造、優れたスケーラビリティ、および費用対効果を伴う結果として得られる光学性能および耐老化性能（補足図36、補足表5）は、反射基板、多層アーキテクチャ、または複雑な後修正を含む既存のアプローチでは達成できません。特に拡張性が望ましい特性である場合には、既存の放射冷却材料を使用できます。 無機NPを実装するこの戦略のさらなる探求は、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、硫酸バリウム、および視覚的な快適さを満たす他の着色顔料などの広範囲の材料に拡張することができ（補足図35）、SDRCを次の方向に推進します。現実世界のアプリケーション。

1H、1H、2H、2H-パーフルオロオクチルトリクロロシラン（PFOTS）、ルチル型二酸化チタン（TiO2）ナノ粒子（NP）（補足図3）、二酸化マンガン（MnO2）粒子、カーボンブラック、酸化第二鉄（Fe2O3）、フミン酸（ HAc)、塩化ナトリウム (NaCl)、硝酸ナトリウム (NaNO3)、硫酸カルシウム二水和物 (CaSO4 ・ 2H2O)、エタノール (95%)、アセトン (99%)、ホルムアルデヒド (99%)、トルエン (99%) は、以下から購入しました。 Aladdin, Co. 上記の化学物質はすべて、受け取ったまま使用しました。 脱イオン (DI) 水は、Millipore Synergy UV-R 浄水システムから生成されました。 ホウケイ酸ガラス スライド (厚さ 170 μm) は、Marienfeld Superior から購入しました。 さまざまなブランドの接着剤が使用され、同様の性能が得られました。 市販の白色塗料は、Sherwin-Williams から購入しました (エクストラ ホワイト、製品番号 A74W00051)。 ポリ (フッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン) (PVDF-HFP、Kynar Flex® 2801) は Arkema から購入しました。 銀およびアルミニウムのプレート、ポリメタクリル酸メチル (PMMA) 製のプラスチック スライド (厚さ 5 mm)、バスウッド シート (厚さ 10 mm)、汚れ剤 (モンモリロナイト、ベントナイト、石炭灰および砂を含む)、アルミホイル、屋外壁タイル(40 × 80 cm)、ブリキ箱 (47 × 32 × 32 cm)、およびスプレー塗装装置は地元の市場から購入しました。

PFOTS および TiO2 NP をエタノールに加え、周囲温度 (約 25 °C) で 5 時間撹拌して、見かけ上均一な懸濁液を得ました。 PFOTS/TiO2/エタノールの重量比0.1/1.3/10（補足図12）は、AACP懸濁液の製造に日常的に使用されました。 調製された AACP 懸濁液は、さまざまな表面にドロップ/ディップキャストまたはスプレー/ブラシで塗布して、均一なコーティングを形成できます。 今回の研究では、AACP からコーティングを日常的に製造するためにドロップキャスト法が選択されました。 走査型電子顕微鏡を使用してコーティング層の断面画像を観察することにより、コーティングの厚さを取得しました（補足図4）。 平均厚さデータと対応する標準偏差は、異なる位置での少なくとも 5 回の測定から得られました。 AACP コーティングの機械的耐久性を高めるために、AACP をドロップキャストする前に、まず接着剤の層を基材上にブラシで塗布し、基材と AACP の間の凝集強度を高めました。 市販の白色塗料を受け取ったままの状態で使用して、対照群として基材上に刷毛塗りした。 PVDF-HFP からの多孔質コーティングは、以前のレポート 9 に従って転相ベースのプロセスによって得られました。 つまり、PVDF-HFP とアセトンを最初に混合して溶液混合物を形成し、次に水をそれに加えて液固相反転を引き起こし、固体コーティングを形成しました。 ＰＶＤＦ−ＨＦＰ／アセトン／水の重量比は１／８／１であった。 AACP の拡張性のデモンストレーションでは、屋外の壁タイルの塗装にスプレー コーターが使用されました。 約100 μmの均一なコーティング層を得るために、駆動圧力として0.1 bar、ノズルサイズ2.5 mm、流量として320 mL min-1、スプレー距離として約40 cmを含む一連の装置パラメータが目的に合わせて選択されました。タイル全体 (40 × 80 cm) を塗装するにはスプレー時間は約 1 分です。

充填密度 (ϕ) の計算は質量保存原理に基づいています。 TiO2 NP の質量密度は、Ultrapyc 5000 比重計で測定すると約 4.26 g cm-3 です。 例として、5 × 5 cm の基板の場合、使用した TiO2 懸濁液の固形分は 0.48 g (TiO2/エタノールの重量比は 1.3/10)、測定された乾燥コーティングの厚さは約 100 μm であり、φ は次のように計算されます。 (\frac{0.478{{{{{\rm{g}}}}}}/4.26{{{{{\rm{g\; c}}}}}}{{{{{\rm{m }}}}}}}^{-3}}{25{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{{\rm{m}}}}}}^{2 }\100 倍{{{{{\rm{\mu }}}}}}{{{{\rm{m}}}}}}\約 0.45\)。 実際には、エタノール中の TiO2 濃度が ϕ の大きさを制御する決定要因であり、高濃度は高い ϕ に対応し、またその逆も同様です。

AACP およびその他のコーティングサンプルの日射反射率 (R̅solar) は、ポリテトラフルオロエチレン積分球を備えた PerkinElmer LAMBDA 950 を使用して、0.3 ～ 2.5 μm の波長 (λ) 範囲内で測定および平均されました。 コーティングの放射率は、金の積分球を備えた PerkinElmer Spotlight 200I を使用して、2.5 ～ 16 μm の範囲で測定されました。 透明な大気窓における長波赤外線 (LWIR) 放射率 (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}\)) は、平均して計算されました。 8 ～ 13 μm の波長にわたるエミッタンス データ。 各コーティングサンプルについて、平均データと対応する標準偏差が少なくとも 3 回の測定から得られました。

見かけの静的水接触角 (θapp) およびロールオフ角 (θroll) の測定は、Dataphysics の OCA 50 AF で実行されました。 θapp の測定では、6 μL の液滴をコーティング表面に置き、静置しました。 液体-蒸気界面の接線と固体表面との間の角度をθappとして記録した。 θroll の測定では、10 μL の液滴をコーティング表面に置き、基板を 0.1°/秒の速度で傾けました。 θｒｏｌｌ値は、液滴転動の瞬間に記録された。 各コーティングサンプルについて、異なる位置での少なくとも 5 回の測定から平均データと対応する標準偏差が得られました。

コーティング表面に衝突する際の水滴のエネルギー散逸率 (EDF) を取得するために、5 µL の水滴を 10 mm の高さから放出してコーティング表面に衝突させ、衝撃後に水滴は跳ね返りました。 最初の衝突後に跳ね返る液滴の最大高さ (h、単位 mm) を、10,000 fps (フレーム/秒) の高速カメラ (Photron、Fastcam SA5) を使用して記録しました。 この場合、EDF は EDF = (10 − h)/10 として定義されます。 各コーティングサンプルについて、異なる位置での少なくとも 5 つの測定から平均データと対応する標準偏差が得られました。

光学顕微鏡画像は、Nikon LV ND 顕微鏡で取得しました。 走査型電子顕微鏡 (SEM) およびエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 分析は、Phenom Pro X で実行されました。TiO2 NP の形態学的および元素分析は、FEI Talos F200S Super-X を使用した透過型電子顕微鏡 (TEM) によって実行されました。 コーティングサンプルの熱重量分析（TGA）は、Q50 TGA（TA Instrument）を使用し、窒素ガス流（50 mL min-1）下で 10 °C min-1 の加熱速度で実行されました。 官能基分析はフーリエ変換赤外分光法（FTIR、Thermo Fisher Nicolet Is10）により行った。 TiO2 NP の粉末 X 線回折パターンは、X 線回折装置 (XRD、Bruker D8 Advance) を使用して取得しました。 TiO2 NP の粒径分布は、動的光散乱 (DLS)、レーザー粒度測定装置、Zetasizer Nano ZS-90 によって検査されました。 超小角 X 線散乱 (USAXS) 実験は、上海シンクロトロン放射施設の BL10U1 ビームラインで実施されました。 アイガー 4M 検出器を使用して 2 次元 (2D) 散乱データを収集しました。 X線の波長は1.24Å（10keVのエネルギーに相当）でした。 ビームサイズは400×450μmでした。 すべてのサンプルは、厚さ 0.1 mm、直径 30 mm の円形雲母基板 (X 線に対してほぼ透明) 上にコーティングされました。 コーティングと検出器の間の距離は 27,600 mm でした。 データ収集時間はすべての測定で 10 秒でした。 Fit2D (v12.077) ソフトウェアを使用して、2D 生データを 1 次元 (1D) 曲線に縮小しました。 赤外線カメラ（Ｒ３００、Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．）を使用して赤外線画像を取得した。

Lumerical 2020 R2.4 の FDTD ソリューションを使用して、コーティングの日射反射率に対する TiO2 NP の充填密度の影響とナノ粒子サイズの影響を調査しました。 メッシュ寸法は 20 × 20 × 20 nm です。 計算能力が限られているため、最密充填モデルが適用され、膜厚は 2 μm に設定され、シミュレートされたスペクトルは波長 0.25 ～ 2.5 μm です。 10 μm と 20 μm の厚さについても調査し、同様の変動傾向が得られました。 直径 200 nm の TiO2 NP を使用して、図 1c のデータを生成しました。 結果は補足図5に示されています。

すべてのフィールドテストは中国の成都で実施されました。 AACP の実際の動作条件を模倣するために、風および放射線シールドを実装せずにコーティングの温度変化と冷却力を測定しました。 すべてのサンプルは、透過光があればそれを吸収する可能性がある黒いテープの裏地が付いたガラス基板上にコーティングされました。 J タイプ熱電対をガラスの裏側に取り付け、Onset HOBO 4 チャンネル熱電対データロガー UX120-014M に接続しました。 太陽放射照度 (Isolar) データは、Apogee Instrument の SP-510 サーモパイル日射計を使用して記録されました。 周囲温度を監視する熱電対は、太陽の直接加熱を防ぐために温度計シェルターで遮蔽されました。 非放射熱伝達を制限するために、すべてのサンプルと機器は発泡スチロールで裏打ちされた真空断熱パネル上に配置されました。 気象観測所（DC5V モデル、YiGu Co.）を使用して、周囲の相対湿度と風速を監視しました（補足図15）。 セットアップ全体を補足図17に示しました。

AACP コーティングの冷却力は、サンプルを周囲温度に到達させる熱力を入力することによって決定されました。 次に、この熱力は、非放射熱伝達を考慮せずに、サンプルの冷却力と等しいものとして扱うことができます。 詳細については、「放射冷却能力の推定」のセクションで説明します。 段階的方法と密接な追跡方法の両方を使用して、それぞれ冷却力を決定しました。 段階的方法を使用することにより、正午に段階的に火力を増加させ、サンプルの温度を 5 分間の時間間隔内で段階的に定常状態に到達させることにしました。 次に、補足図 13 に示すように、サンプルと周囲の温度差を熱量の関数としてプロットしました。温度差がゼロに達したとき、冷却力は熱量と等しくなります。 熱出力は、Keithley 2400 SourceMeter によって制御されるカスタマイズされた Kapton® フレキシブル ヒーターからのものでした。 LabVIEW による比例積分微分 (PID) 制御を使用して、希望のサンプル温度値に応じて熱出力を調整しました。 熱電対をコーティングされたガラスの背面とヒーターの間に取り付けて温度変化を監視し、制御精度のためのフィードバックデータを提供しました。 サンプル温度、熱出力、および対応する標準偏差データは、熱出力の最初の一時的なピーク後の各時間間隔の最後の 3 分間に取得されました。 近接追跡方式を使用することにより、ヒーターは同じ PID 制御プログラムによって制御され、午前 11 時から午後 4 時までリアルタイムの近接追跡方式で AACP の表面温度が周囲温度と等しくなるように制御されました。 次に、日中の 5 時間の冷却能力の変化を取得できます (補足図 14)。 フィールドテストのすべてのコーティングは、5 × 5 cm のガラス基板上に行われました。

屋根材の日射反射率と熱放射に対する汚れの影響を評価するために開発された ASTM D7897-18 規格に従って、コーティングに対する 3 年間の自然汚れの影響をシミュレーションしました。 この基準に従って、補足図16に示すように、4つの汚れ物質、つまりすす、粉塵、粒子状有機物（POM）および塩から構成される人工汚れ混合物を調製しました。式は次のとおりです。

すす: 0.26 ± 0.01 g のカーボン ブラックを 1 L の蒸留水と混合して懸濁液を作成しました。

粉塵：Fe2O3 0.3±0.02g、モンモリロナイト1.0±0.05g、ベントナイト1.0±0.05gの混合物を蒸留水1Lに加え、濃度2.3±0.1g/Lの懸濁液を得た。

POM: 1.4 ± 0.05 g の HAc を 1 L の蒸留水と混合して懸濁液を作成しました。

塩：NaCl 0.3±0.03g、NaNO3 0.3±0.03g、CaSO4・2H2O 0.4±0.03gの混合物を蒸留水1Lに溶解し、濃度1.0±0.1g/Lの溶液を得た。

上記の 4 つの汚れ剤を混合して、自然の汚れ物質を再現しました。 煤／粉塵／ＰＯＭ／塩類の重量比は５／４７／２８／２０であった。 この汚れ混合物を、空気圧計を備えた噴霧タンクに注入した。 次に、汚れ混合物を上方 30 cm の距離からコーティング上に連続的かつ均等にスプレーしました。 噴霧された湿式汚れ剤は 8 ± 1 mg cm-2 として制御されました。 次いで、汚れたコーティングを赤外線加熱ランプの下で乾燥させた。 紫外線 (UV) 照射と湿気と雨による自然な老化効果をシミュレートするために、汚れ手順の前後に風化ステップが実行されました。 この風化ステップには、340 nm、60 °C で 0.89 W m-2 の 8 時間の UV 照射を 2 サイクル、50 °C で 4 時間の模擬降雨が含まれます。

泥は石炭灰と水を混合して調製されました。 低粘度および高粘度の泥をシミュレートするために、50% および 80% の石炭灰重量比が生成されました。 汚れの影響を調査するために、コーティング上に泥を滴下しました（毎回 1 g cm−2）。 汚れのプロセスを10回繰り返しました。 洗浄効果を補足図21、補足表1、補足ムービー1に示しました。

粉塵汚染をシミュレートするために、数百ナノメートルから数十ミクロンの範囲の直径を持つ MnO2 粒子が使用されました。 約 10 mg cm-2 の MnO2 粒子がコーティング上に均一に広がりました。 水滴と風を当ててそれぞれの洗浄効果を調べました。 汚れと洗浄のサイクルを 10 回繰り返しました。 洗浄効果は、補足図2、補足表1、および補足ムービー2に示されています。

10 mg cm-2 の砂をコーティング上に均一に広げました。 洗浄効果を研究するために、コーティング上で水の凝縮を実施しました。 コーティングサンプルを、45°に傾けた約5℃のコールドステージ上に置きました。 周囲温度は約 25 °C で、相対湿度は 99% に制御されました。 洗浄効果を補足図22に示しました。

コーティングを UV 耐候性チャンバー (HT-UV3、Haotian Testing Equipment Co.) に入れました。 促進耐候性実験には、340 nm、60 °C で 0.89 W m-2 の 1000 時間 (約 42 日) の UV 放射照度が使用されました。 この UV 線量は、1 年間のフロリダの日光暴露に相当します (年間 UV 線量は約 275 MJ m-2)。 フロリダの日光への曝露は、材料の耐久性テストの国際的なベンチマークです。

接着剤を含む AACP コーティングを、約 100 °C の加熱ステージ上に 1000 時間置きました。 加熱後の光学特性と湿潤特性を補足図24に示しました。

平均ジェット速度 v は、\(v=\frac{4V}{\pi {d}^{2}\triangle t}\) として計算できます。ここで、V は、噴射時間中に噴射される水の体積です。 Δt と d は針の直径です。 10 mL の水が直径 2 mm の針から 400 ミリ秒以内に、平均速度 8 m s-1 で噴射されました。 この速度は、暴風雨における雨滴の速度 (v ≈ 9 m s−1) に相当します。 補足ムービー 3 に示すように、蛇口からのより高速なウォーター ジェット (d = 5 mm、v ≈ 10 m s−1) も、AACP コーティングの完全性をテストするために使用されました。

3 M VHB 5925 テープを貼り付けて、コーティングと基材の間の接着力をテストしました。 １ｋｇのローラーをテープ上で２回回転させて、テープをコーティング表面にしっかりと保持させた。 その後、テープを剥がした。 テープ剥離後のテストプロセスとコーティング特性を補足図28に示しました。

直径50～300μmの砂を24×60mmの塗膜表面に30cmの高さから落下させた。 砂の落下ごとに、総砂質量 20 g を使用しました。 摩耗試験は１００回繰り返した。 落下砂試験後の試験プロセスとコーティング特性を補足図29に示しました。

耐引掻性試験は、ASTM 規格 D7027-20 (試験モード A) に従って実施されました。 具体的には、0.1 m s-1 (±0.0005 m s−1)。 スクラッチテスト後のコーティング特性を補足図30および補足表4に示します。

コーティングサンプルは、厚さ約 100 μm のガラス基板 (22 × 60 mm) 上にありました。 ホルムアルデヒドおよびトルエンの供給流の濃度は、両方とも窒素ガス流中で３０ｐｐｍに制御された。 ガス湿度は５０％に制御し、総流量は２５ｍＬ／ｍｉｎに設定した。 ＵＶランプ（３００Ｗ）を反応器（０．３５７Ｌ）の上に垂直に設置した。 入射光の波長は365nm、光強度は0.29Wcm-2に制御された。 吸脱着平衡に達した後、ランプを点灯した。 ホルムアルデヒド、トルエン、水、および CO2 の濃度は、マルチガス分析装置 (DKG-42A、Duke Technology) によって連続的に記録されました。 汚染物質変換効率は、η (%) = (C0 − C)/C0 × 100% として計算されました。ここで、C0 と C は、それぞれ供給流中のホルムアルデヒドまたはトルエンの濃度と出口流中のリアルタイム濃度を表します42。 。 結果を補足図31に示します。

AACP の屋外長期耐久性能を実証するために、中国の 2 か所が選ばれました。 1 つは、湿気が多く暑い気候の成都 (北緯 30 度 40 分 36 秒、東経 104 度 6 分 28 秒) で、日付は 2021 年 4 月 25 日から 11 月 10 日まででした。もう 1 つは西安 (北緯 34 度 17 分) でした。 2021 年 5 月 1 日から 11 月 30 日まで、乾燥した暑い気候の北緯 57 度、東経 108 度 58 分 21 秒) で塗装サンプル (5 × 15 cm) を表示板 (80 × 120 cm) に固定しました。空に向かって30度傾けます。 すべてのコーティングスライドは、未露光/(露光、洗浄)/(露光、未洗浄)の 3 つの領域に分割されました。 アルミホイルを使用して、スライドの 3 分の 1 を「未露光」領域として包みました。 「洗浄」は水道水ですすぐことによって行われました。 屋外暴露が完了すると、サンプルが回収され、光学特性と湿潤特性がテストされました。 西安のサンプルの老化の結果は補足図25に示されています。

日射反射率 (R̅solar) は、同じ波長範囲内の太陽光強度の積分に対する 0.3 ～ 2.5 μm の λ での反射太陽光パワーの比として定義されます 43:

ここで、Isolar(λ) は ASTM G173-03 AM 1.5 グローバル チルト スペクトル、R(λ) はサンプルの測定された分光反射率です。

同様に、熱放射率 (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)) は、サンプルの熱放射の比率として定義されます。一次長波赤外線 (LWIR) 大気透明度ウィンドウ (λ 8 ～ 13 μm) のエネルギーを、同じ波長範囲内の標準黒体によって放出されるスペクトル強度の積分に換算します。

ここで、 \(\varepsilon \left(T,\lambda \right)\) はサンプルの測定された分光放射率、Ibb(T, λ) はプランクの法則によって計算された温度 T での黒体放射強度です。

ここで、\(\hslash\) はプランク定数、c は真空中の光の速度、kB はボルツマン定数です。 本研究では、温度 T を 298 K に設定します。

輻射冷却材の冷却性能を評価するには、周囲温度降下が冷却能力を直感的に感じるパラメータとなります。 しかし、場所、風速、湿度などの試験条件はケースバイケースで異なる可能性があるため、同じ材料であっても異なる試験で同じ温度低下を得るのは困難です44。 したがって、さまざまな材料の冷却能力を客観的に比較するには、冷却能力を使用することがより適切です。

放射冷却面の冷却力を推定するには、定常状態の熱伝達平衡解析から開始します45。 温度 \(T\) と周囲温度 Ta の放射冷却面の場合、正味冷却力 Pnet(T, Ta) は次のように計算されます。

ここで、Prad(T) は表面からの放射パワー、Patm(T) は大気放射線からの吸収パワー、Psun は太陽からのエネルギー パワー、Pnrad(T, Ta) は周囲の環境から生じる非放射熱伝達パワーです。伝導熱交換および/または対流熱交換。 単位面積 1 m2 の放射冷却面の場合、Pnrad(T, Ta) は、非放射熱伝達係数 hc (単位は W m−2 K−) を導入することにより、さらに hc(Ta – T) として表すことができます。 1)。 前に述べたように、実際の環境条件は hc に強い影響を与え、hc を 2 ～ 20 W m−2 K−1 44 まで変化させる可能性があります。したがって、この制御されていない要因を除外するには、ΔT = Ta – T = 0 を設定できます。 Pnrad(T, Ta) 項を削除します。 実際には、冷却装置の熱損失を補うためにヒーターを利用し、冷却装置の温度を周囲温度と等しくしました。 次に、正味冷却電力 Pnet(T, Ta) は Pnet(Ta, Ta) となり、さらに熱電力に等しい Pcool(Ta) として定義できます。

ここで、理想的なシナリオを考えてみましょう。つまり、放射冷却材料が太陽スペクトル (λ 0.3 ～ 2.5 μm) で 100% の反射率を持ち、一次大気透過窓 (λ 8 ～ 13 μm) で 100% の放射率を持ちます。 この場合、(1 − R̅solar)Psun = 0 となります。

そして

ここで \(\varepsilon (\lambda,\theta )\) と \({\varepsilon }_{{{{{\rm{a}}}}}}}\left(\lambda,\theta \right) \) は放射冷却面と周囲空気の分光放射率と角放射率、ta(λ, 0) は天頂角 0 における大気透過率です。 私たちの推定では、ta(λ, 0) のデータは ATRAN モデリング ソフトウェアからのものです。 冷却力は主に、8 ～ 13 μm の λ を持つ一次大気透過窓を通した表面スペクトル放射率に依存します。 次に、Pcool(Ta) を次のように取得します。

その結果、本文の図 1a に示すように、周囲温度 Ta の関数として Pcool をプロットできます。 上記の説明では、吸収される太陽光エネルギーを除去するために R̅solar = 1 を設定したことに注意してください。 (1 − R̅solar)Psun の非ゼロ項を再導入して正味冷却エネルギー Pnet(Ta) を求めるだけで、不完全 R̅solar の影響を調べることができます。

AACP 対応の屋根が 1600 m2 あり、白色反射塗装が施された 3 階建ての商業オフィス ビルで、3 年間に節約される電力を推定します。 シミュレーション手順は前回の作業と同様です。5 EnergyPlus (バージョン 22.1.0) を利用して、シンガポール市 (暑い気候) の 1 時間ごとの気象データに基づいて標準暖房、換気、空調 (HVAC) システムでの電力使用量を決定しました。 International Weather for Energy Calculation (IWEC) ファイルから取得されます。 建物の内部温度は常に 24 °C に設定され、HVAC システムは継続的に作動しました。 AACPの冷却力は式(1)に従って計算されました。 (9) 周囲温度、太陽放射量、雲量データを入力し、建物の熱負荷から差し引きます。 建物内で放散される残りの熱を計算するために、2.8 の成績係数 (COP) が使用されました。 デフォルトの参照建物の屋根の反射率と放射率は 0.3 と 0.9 に固定されました。 白く塗装された屋根の場合、放射率は 0.9 に固定されました。 反射率は 3 年間で各年 0.87、0.82、0.78 と減少傾向に設定されました。 AACP の場合、反射率は各年 0.93、0.928、0.926 に設定され、放射率は 0.97 に固定されました。 シミュレーション結果を補足図36に示します。環境の老朽化により、白色塗料の節電量は毎年12.2kWh m-2から8.4kWh m-2に減少しますが、AACPは50kWh m-2を超える強力な省エネ性能を示します。 補足表 5 では、1 平方メートルに基づいて、AACP と他の 2 つの一般的な白色塗料のコストを比較しました。 AACP のコストは市販製品の価格に匹敵することがわかります (約 5 百万ドル対 4 百万ドル)。 この場合、AACP と白色塗料の節電の差は、1 年間で約 40 kWh m−2 です。 グリッドの電力コストを 0.1 kWh−1 ドルと仮定すると、AACP と白色塗料のコスト差は最初の 1 年か、場合によってはさらに短期間で埋め合わせることができます。これは、AACP が費用対効果の高いソリューションとなる大きな可能性を示しています。大きな冷却負荷によるエネルギー需要を軽減する屋根。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。

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赤外線画像の取得について支援していただいた B. Hu に感謝します。 ビームタイムを提供してくださった SSRF (中国、上海シンクロトロン放射施設) の時間分解 USAXS ビームライン BL10U1 に感謝します。 私たちは、中国国家自然科学財団 (22072014、XD)、中央大学基礎研究基金 (ZYGX2019J119、XD)、成都科学技術局 (2021-GH02-00105-HZ、XD)、深セン科学技術プログラム (JCYJ20210324142210027、XD)、および四川省優秀若手学者財団 (21JCQN0235、XD)。

Jianing Song、Wenluan Zhang の著者も同様に貢献しました。

中国電子科学技術大学基礎・フロンティア科学研究所、成都、610054、中国

Jianing Song、Wenluan Zhang、Zhengnan Sun、Mengyao Pan

中国電子科学技術大学オートメーション工学部、成都、611731、中国

チャン・ウェンルアン

上海シンクロトロン放射施設、中国科学院、上海高等研究院張江研究所、上海、201204、中国

フォン・ティアン＆シューホン・リー

材料物理学および分析、BASF Advanced Chemicals Co., Ltd. 333 Jiang Xin Sha Road, Pudong, Shanghai, 200137, China

ミン・イェ

中国電子科学技術大学深セン高等研究所、深セン、518110、中国

徐登

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JS、WZ、XD が研究を考案し、実験を計画しました。 JS と WZ は実験を実行し、結果を分析しました。 ZSはフィールドテストとムービーデータ制作を支援しました。 MP は FDTD シミュレーションを実行し、FT と XL は USAXS 測定を支援し、MY は機械的測定を支援しました。 XD と WZ がプロジェクトを監督しました。 著者全員がデータを分析、解釈して論文を執筆しました。

Wenluan Zhang または Xu Deng との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Zhengmao Lu と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Song, J.、Zhang, W.、Sun, Z. 他環境劣化に対する耐久性のある放射冷却。 Nat Commun 13、4805 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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受信日: 2022 年 4 月 7 日

受理日: 2022 年 7 月 29 日

公開日: 2022 年 8 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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