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Refroidissement radiatif durable contre le vieillissement environnemental

Sep 17, 2023Sep 17, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4805 (2022) Citer cet article

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Pour lutter contre le réchauffement climatique, la technologie de refroidissement radiatif diurne subambiant constitue une voie prometteuse pour atteindre les objectifs de développement durable. Pour obtenir un refroidissement radiatif diurne subambiant, la réflexion de la majeure partie de la lumière solaire est une condition préalable essentielle. Cependant, la réflectance solaire élevée souhaitée est facilement atténuée par le vieillissement environnemental, principalement par la saleté naturelle et l'irradiation ultraviolette du soleil, provoquant une couleur jaunâtre pour la plupart des polymères, rendant le refroidissement inefficace. Nous démontrons une stratégie simple consistant à utiliser des nanoparticules de dioxyde de titane, résistantes aux ultraviolets, formant une morphologie poreuse hiérarchique via un assemblage piloté par évaporation, qui garantit une anti-salissure équilibrée et une réflectance solaire élevée, produisant des revêtements à base de peinture de refroidissement anti-vieillissement. Nous testons les revêtements de refroidissement lors d'un test de vieillissement accéléré contre 3 années de salissure naturelle simulées et 1 an d'ensoleillement naturel simulé, et constatons que la réflectance solaire n'a diminué que de 0,4 % et 0,5 % par rapport aux revêtements non vieillis. Nous montrons en outre plus de 6 mois de vieillissement dans des conditions réelles avec pratiquement aucune dégradation des performances de refroidissement. Notre peinture de refroidissement anti-âge est évolutive et peut être appliquée par pulvérisation sur l'architecture extérieure et le conteneur souhaités, présentant un refroidissement radiatif durable, prometteur pour les applications du monde réel.

Notre monde va mal pour atteindre l’objectif de 1,5 °C de l’Accord de Paris car les émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES) continuent de monter en flèche1. Si aucune mesure urgente n’est prise pour atténuer les émissions de GES, certaines régions du monde seront presque invivables pour les êtres humains d’ici la fin de ce siècle2. Aujourd’hui, plus de 10 % des émissions de GES proviennent du refroidissement et de la réfrigération conventionnels des locaux3. À mesure que la planète se réchauffe, plus de 13 nouveaux appareils de refroidissement sont installés chaque seconde dans le monde, ce qui crée davantage d'émissions de GES et de substances appauvrissant la couche d'ozone, exacerbant le réchauffement climatique4. Pour lutter contre cette boucle de rétroaction destructrice, la technologie de refroidissement radiatif diurne subambiant (SDRC) constitue une voie prometteuse. Il est réalisé par un objet orienté vers le ciel réfléchissant la majeure partie de la lumière solaire (dans une longueur d'onde de 0,3 à 2,5 µm) et émettant fortement un rayonnement infrarouge à ondes longues (LWIR) vers l'univers froid à travers la fenêtre de transparence atmosphérique (dans une longueur d'onde de 8 à 13 µm). 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. De cette manière, l’objet peut être refroidi passivement en dessous de la température ambiante sans apport d’énergie ni émission de GES.

Le cœur du SDRC réside dans la réflectance solaire élevée (R̅solar ≥ 0,9), puisque seulement quelques pour cent de l'absorbance solaire peuvent chauffer efficacement la surface même si elle a une émissivité LWIR parfaite, c'est-à-dire \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Fig. 1a). Cependant, ce R̅solaire élevé indispensable est très susceptible de diminuer, rendant cette technologie inefficace, après que les matériaux SDRC ont été exposés à l'environnement naturel extérieur pendant seulement quelques mois, ce qui est essentiellement dû au vieillissement environnemental naturel22. Bien que la capacité du SDRC dans les scénarios idéaux ait été démontrée par divers matériaux, comme les films minces nanophotoniques5, les composites polymère-diélectriques soutenus par des miroirs métalliques7, les nanotextiles polymères19,23,24, la nanocellulose11 et les revêtements polymères poreux9,17,18, ces matériaux ont été rarement évalué contre le vieillissement environnemental, principalement les salissures naturelles et l’irradiation UV du soleil22. Parmi eux, la plupart des polymères pour SDRC, même s'ils ne tiennent pas compte de l'effet assombrissant provoqué par la salissure naturelle, ne résistent pas à une exposition prolongée aux UV, ce qui se traduit par un aspect jaunâtre réduisant le R̅solar25. Bien que le revêtement poreux à base de fluoropolymère pour SDRC soit résistant aux UV9,26, sa nature hydrophobe modeste limite les performances anti-salissures27. Par conséquent, pour pousser le SDRC vers des applications réelles avec une durabilité à long terme, outre des propriétés optiques exceptionnelles, d'excellentes résistances aux salissures/UV sont hautement souhaitées, préférées ainsi qu'une facilité de fabrication et une évolutivité sous forme de revêtements à base de peinture.

 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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