Refroidissement radiatif durable contre le vieillissement environnemental

Jun 26, 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 sous-ambiant offre une voie prometteuse pour atteindre les objectifs de développement durable. Pour obtenir un refroidissement radiatif diurne sous-ambiant, la réflexion de la plupart des rayons du soleil est la condition préalable essentielle. Cependant, la réflectance solaire élevée souhaitée est facilement atténuée par le vieillissement environnemental, principalement les salissures naturelles et l'irradiation ultraviolette de la lumière du soleil provoquant une couleur jaunâtre pour la plupart des polymères, rendant le refroidissement inefficace. Nous démontrons une stratégie simple pour utiliser des nanoparticules de dioxyde de titane, avec une résistance aux ultraviolets, formant une morphologie poreuse hiérarchique via un assemblage piloté par évaporation, ce qui garantit une anti-salissure équilibrée et une réflectance solaire élevée, rendant les revêtements à base de peinture de refroidissement anti-âge. Nous testons les revêtements de refroidissement dans un test de vieillissement accéléré contre 3 ans simulés de salissures naturelles et 1 an simulé d'ensoleillement naturel, 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 à peine aucune dégradation des performances de refroidissement. Notre peinture de refroidissement anti-âge est évolutive et peut être appliquée par pulvérisation sur l'architecture et le conteneur extérieurs souhaités, présentant un refroidissement radiatif durable, prometteur pour les applications du monde réel.

Notre monde va de travers pour atteindre l'objectif de 1,5 °C de l'Accord de Paris car les émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES) ne cessent d'augmenter1. 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. De nos jours, >10 % des émissions de GES proviennent du refroidissement et de la réfrigération conventionnels des locaux3. À mesure que le monde se réchauffe, plus de 13 nouveaux dispositifs 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, ce qui aggrave le réchauffement climatique4. Pour lutter contre cette boucle de rétroaction destructrice, la technologie de refroidissement radiatif diurne sous-ambiant (SDRC) offre une voie prometteuse. Il est réalisé par un objet orienté vers le ciel reflétant la plupart des rayons du soleil (dans une longueur d'onde de 0,3 à 2,5 µm) et émettant un rayonnement infrarouge à ondes longues (LWIR) fortement 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 avec un apport d'énergie et des émissions de GES nuls.

Le cœur de SDRC réside dans la réflectance solaire élevée (R̅solaire ≥ 0,9), puisque seulement quelques pour cent de l'absorbance solaire peuvent effectivement chauffer la surface même si elle a une émittance LWIR parfaite, c'est-à-dire \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Fig. 1a). Cependant, ce R̅solaire élevé indispensable est très susceptible de décliner, rendant cette technologie inefficace, après que les matériaux SDRC aient été exposés à l'environnement naturel extérieur pendant seulement quelques mois, ce qui résulte essentiellement du vieillissement naturel de l'environnement22. Bien que la capacité SDRC dans les scénarios idéaux ait été démontrée par divers matériaux, tels que les couches minces nanophotoniques5, les composites polymères-diélectriques soutenus par des miroirs métalliques7, les nanotextiles polymères19,23,24, la nanocellulose11 et les revêtements polymères poreux9,17,18, ces matériaux ont rarement été évalués par rapport au vieillissement environnemental, principalement les salissures naturelles et l'irradiation UV de la lumière du soleil22. Parmi eux, la plupart des polymères pour SDRC, même s'ils ne tiennent pas compte de l'effet d'assombrissement causé par la salissure naturelle, ne résistent pas à l'exposition aux UV à long terme, ce qui se traduit par un aspect jaunâtre abaissant le R̅solar25. Alors que le revêtement poreux à base de fluoropolymère pour SDRC est résistant aux UV9,26, sa nature hydrophobe modeste limite les performances anti-salissures27. Par conséquent, pour pousser SDRC vers des applications réelles avec une durabilité à long terme, outre des propriétés optiques exceptionnelles, d'excellentes résistances aux salissures/UV sont fortement souhaitées, ainsi que la facilité de fabrication et l'évolutivité sous la forme de revêtements à base de peinture.

a Puissance frigorifique nette en fonction de la température ambiante pour différents R̅solaires. Le calcul théorique est basé sur l'analyse du bilan de transfert de chaleur en régime permanent (détails dans la méthode). Le refroidissement sous-ambiant est difficile à obtenir lorsque R̅solaire < 0,9 même si le matériau a un parfait \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\). b L'efficacité de diffusion d'une seule particule sphérique de TiO2 en fonction du diamètre des particules sur une plage de longueurs d'onde de 0,3 à 2,5 µm dans différents milieux de diffusion. c Courbes de réflectance simulées et valeurs R̅solaires résultantes en fonction de la densité de tassement (ϕ) des nanoparticules de TiO2 (NPs) pour un film de 2 µm d'épaisseur. La tendance à la baisse de la réflectance dans le cercle en pointillés est due à l'effet de diffusion dépendant de l'encombrement des particules. d Relation entre l'angle de contact apparent avec l'eau (θapp) et l'angle de contact intrinsèque de Young (θY) des surfaces de TiO2. e R̅solaire et θapp anticipés en fonction de ϕ résultant de f les trois régimes proposés : I, II et III. Un compromis entre R̅solar et θapp fait du régime II la cible de conception pour obtenir d'excellentes performances de refroidissement radiatif et anti-salissures en même temps. Le degré de diffusion dépendante ajoute de la complexité pour anticiper la variation de R̅solaire lorsque ϕ est élevé. Par conséquent, en e, la ligne pointillée de la courbe des données de réflectance solaire indique uniquement une tendance de variation possible.

Dans ce travail, en réponse aux exigences de taille ci-dessus, nous démontrons un revêtement à base de peinture de refroidissement anti-âge (AACP), qui présente une morphologie poreuse hiérarchique assemblée par évaporation, composée de nanoparticules (NP) de dioxyde de titane hydrophobe (TiO2). Ils présentent d'excellentes capacités de refroidissement même après avoir été confrontés à des tests de vieillissement accéléré de 3 ans de salissures naturelles simulées, 1 an d'ensoleillement naturel simulé et plus de 6 mois de vieillissement dans des conditions réelles. Notre AACP est une suspension qui peut être pulvérisée et peinte sur divers substrats de manière évolutive, prometteuse pour des applications commerciales.

Nous avons conçu l'AACP sur la base de trois critères : (1) le matériau doit être intrinsèquement résistant à l'irradiance UV, (2) le revêtement dérivé doit avoir un R̅solaire ≥ 0,9 et (3) la surface du revêtement doit être capable de réduire l'accrétion de substances (par exemple, les contaminants salissants courants). Pour satisfaire le premier critère, nous avons choisi de ne pas utiliser de liants polymères dans notre formulation, car la plupart des polymères courants sont réactifs à la lumière UV, deviennent jaunâtres après une exposition prolongée aux UV25. Au lieu de cela, nous avons utilisé des NP de TiO2 de type rutile pour former des couches de revêtement poreux. Les NP de TiO2 diffusent fortement la lumière (indice de réfraction \({n}_{{{{{{\rm{Ti}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}}\) ≈ 2,7), couramment utilisés comme composant d'atténuation des UV, disponibles dans le commerce et rentables28. Bien que le TiO2 ait été étudié pour le refroidissement radiatif diurne depuis les années 1970, le manque de capacité à réaliser un refroidissement sous-ambiant sous la lumière directe du soleil rend sa valeur pratique très limitée29. Le refroidissement radiatif sous-ambiant sous la lumière directe du soleil à base de TiO2 n'a été réalisé que récemment en ajoutant des particules fluorescentes pour des microsphères R̅solaires et de silice améliorées pour une \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)30, ce qui crée une peinture de refroidissement radiative à base de TiO2 plus complexe. Conventionnellement, l'absorption UV des NP de TiO2 et l'absorption dans le proche infrarouge (NIR) des liants polymères courants étaient considérées comme ayant un impact négatif sur les revêtements à base de peinture pour atteindre R̅solaire > 0,931. Cependant, nous notons que la proportion d'énergie dans la région UV (longueur d'onde de 0,28 à 0,4 µm) ne représente que 4,5 % de l'ensemble du spectre solaire (Fig. 1 supplémentaire). Par conséquent, nous pouvons compenser l'absorption UV en supprimant l'absorption NIR en remplaçant le polymère par de l'air formant une morphologie poreuse. Et nous notons que l'indice de réfraction de l'air (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) est inférieur à celui du liant polymère commun (\({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}\) ≈ 1,5)32. Selon la loi de Snell, une grande différence d'indice de réfraction entre deux milieux différents conduit à une amplitude élevée de réfraction de la lumière. Ainsi, les NP de TiO2 dans l'air devraient diffuser la lumière plus fortement qu'elles ne le font dans les polymères. Pour évaluer davantage cette propriété optique théoriquement, nous avons calculé numériquement l'efficacité de diffusion (Qsca) d'une seule particule sphérique de TiO2 en fonction du diamètre des particules à travers le spectre solaire sur la base de la théorie de Mie (détails dans Méthodes). Nous avons comparé le Qsca de la particule de TiO2 dans le milieu environnant de l'air ou du polymère avec des indices de réfraction prédéfinis (\({n}_{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1 et \({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1,5). Nous avons constaté que, dans le spectre solaire, une seule particule de TiO2 pouvait diffuser la lumière du soleil plus fortement dans l'air que dans le polymère (Fig. 1b). Empiriquement, l'amplitude de R̅solaire est équivalente à l'amplitude totale de la diffusion des NPs de TiO2, qui est déterminée par le nombre d'interfaces air/particules traversées par la lumière. Par conséquent, pour des revêtements d'épaisseur égale composés de NPs de TiO2 de même taille, une forte densité de remplissage (ϕ) de NPs, ce qui signifie un grand nombre d'interfaces air/particules, devrait pouvoir satisfaire à la deuxième exigence (R̅solaire ≥ 0,9). Cependant, nous notons que l'encombrement des NP de TiO2 donne lieu à la diffusion dépendante conduisant à une réduction de l'efficacité de diffusion, contrairement à la diffusion indépendante dans laquelle la distance entre les particules de diffusion est suffisamment grande pour ignorer l'effet de diffusion apporté par la présence de particules voisines33. Ce phénomène est évident pour un revêtement mince composé de NP à haute densité de tassement, corroboré par des simulations dans le domaine temporel à différence finie (FDTD) (Fig. 1c). En pratique, pour compenser cet effet de diffusion dépendant défavorable, nous pouvons fabriquer un revêtement épais composé de particules à large distribution de taille pour augmenter le pouvoir de diffusion total (Fig. 5 supplémentaire). Néanmoins, l'augmentation continue du ϕ des NP de TiO2 pourrait ne pas rendre le R̅solaire plus élevé comme prévu intuitivement. En d'autres termes, nous devrions pouvoir obtenir un R̅solaire élevé avec ϕ situé dans la région moyenne, ni très faible ni élevée.

Pour répondre au dernier critère de la capacité à réduire l'accrétion de substances, nous visons à obtenir une faible force d'adhérence de surface grâce à la non-mouillabilité27,34,35. Ici, l'équation directrice est basée sur le modèle de Cassie-Baxter (Figs. 2, 10 et 11 supplémentaires), c'est-à-dire cos θapp = f (1 + cos θY) −1, où θapp est l'angle de contact apparent, θY est l'angle de contact de Young et f la fraction de contact liquide-solide (détails dans Méthodes). Comme le montre la figure 1d, θY de la surface de TiO2 plate et lisse vierge n'est que d'environ 1 °. Pour atteindre la valeur critique pour la surface non mouillante, 150° de θapp, il faut que f < 10 %, ce qui est très difficile pour une application pratique évolutive. La surface de TiO2 plate et lisse fluorée a θY à ~ 120 °, puis la valeur critique de f augmente à ~ 0, 3 pour avoir θ app ≥ 150 ° pour réaliser la non-mouillabilité, faisant de la topologie de surface poreuse un candidat potentiel.

Auparavant, la non-mouillabilité était réalisée en construisant une morphologie de surface hiérarchique à partir des NPs de TiO2 fluorés emballés au hasard36. Cependant, le seul réglage de la morphologie de la surface ne peut pas répondre à notre objectif, qui est de réaliser les trois critères ci-dessus en même temps : résistant à l'irradiation UV, R̅solaire élevé et grande non-mouillabilité. Par conséquent, outre la morphologie de surface, la morphologie globale et ses propriétés optiques et de mouillage associées doivent être prises en compte dans leur ensemble pour obtenir des performances de refroidissement radiatif durables. Nous considérons que la surface et la masse du revêtement possèdent une morphologie similaire, de sorte que l'amplitude de f devrait être directement proportionnelle à l'amplitude de ϕ (Fig. 6 supplémentaire). Par conséquent, du point de vue de l'analyse qualitative, nous proposons que l'amplitude de ϕ et f conduisent à trois régimes distincts, comme le montre le schéma de la Fig. 1e, et anticipons que R̅solaire et θapp varient en fonction de la densité de remplissage des NPs de TiO2 (ϕ) résultant de ces trois régimes. Chaque régime présente un ensemble caractéristique de R̅solaire et θapp, correspondant au schéma présenté à la Fig. 1f, avec un chemin de lumière hypothétique et une interface de contact liquide-solide. Dans le régime I, le faible ϕ conduit à une diffusion de la lumière relativement faible, ainsi la lumière a une longue longueur de trajet, pénètre profondément dans le revêtement, peut atteindre le substrat, entraînant une transmission de la lumière. Alors que dans le même temps, le faible f conduit à θapp > 150°, indiquant une bonne non-mouillabilité. Au régime III, le scénario est tout le contraire. Le ϕ élevé conduit à une forte diffusion de la lumière, une courte longueur de trajet, donc une pénétration peu profonde, qui fait tourner la lumière relativement rapidement. Le f élevé conduit à θapp < ​​150° indiquant une hydrophobicité modeste, non bénéfique à des fins anti-salissures. Par conséquent, le régime II est préféré comme cible de conception pour équilibrer les R̅solaire et θapp élevés souhaités.

À partir de ces principes, nous avons créé l'AACP en sélectionnant des NP de TiO2 avec une distribution de taille centrée autour de 0,3 µm. Cette large distribution de taille est non seulement utile pour que les NP de TiO2 diffusent fortement la lumière dans le spectre solaire grâce à l'effet collectif des résonances de Mie24 (Fig. 2a, Fig. 5 supplémentaire), mais également pour obtenir une micro/nano-rugosité pour une non-mouillabilité robuste36. Nous avons mélangé les NP de TiO2 et le perfluorooctyltrichlorosilane (PFOTS) dans de l'éthanol pour créer une suspension AACP. Nous avons distribué cette suspension en gouttes sur le substrat, laisser l'éthanol s'évaporer pour former une couche de revêtement uniforme (détails dans les méthodes). Comme présenté sur la figure 2b, le revêtement montre des assemblages de NPs de TiO2 à deux échelles de longueur formant une micro/nano-rugosité. La diffusion ultra-petite des rayons X (USAXS) a été mise en œuvre pour caractériser la morphologie en vrac du revêtement démontrant une nature poreuse hiérarchique, avec des pores d'air avec deux échelles de longueur distinctes à ~ 110 et 350 nm (détails dans Méthodes) (Fig. 7 supplémentaire). Le PFOTS (Fig. 2c) a été greffé à la surface des NP de TiO2 par silanisation, illustré par microscopie électronique à transmission (TEM) sous la forme d'une couche externe floue (Fig. 2d). La réaction de silanisation ajoute non seulement un composant fluorure abaissant l'énergie de surface du revêtement AACP, mais améliore également son émittance dans la fenêtre de transparence atmosphérique, en raison des vibrations d'étirement collectives des liaisons carbone-fluor (C - F), carbone-carbone (C - C), silicium-oxygène (Si - O) et silicium-oxygène-silicium (Si - O - Si) entre 7 et 10 µm (Fig. 2e et f, et Fig. 8 supplémentaire) 37. Nous avons évalué les propriétés optiques et mouillantes du revêtement AACP en fonction de la densité de tassement des NP de TiO2 (ϕ de 0, 33 à 0, 53), présentée à la Fig. 2g. R̅solaire grimpe à ~0,94 avec un empilement dense de NPs de TiO2, tandis que \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) (~0,97) est insensible à la variation de ϕ. La variation de θapp, décroissante de 158° à 153°, n'étant pas significative par rapport aux grands angles de contact, nous avons mesuré l'angle de roulis (θroll) en complément38, montrant une tendance à la hausse de 1,2° à 4,0°. Nous notons que ces résultats sont conformes à nos anticipations, comme le montre la figure 1e, ce qui donne une plage de ϕ centrée autour de 0, 45 pour des propriétés optiques et de mouillage optimales. Plus précisément, avec ϕ ≈ 0,45, nous sommes en mesure de fabriquer en routine un revêtement AACP super-répulsif avec R̅solar = 0,93 ± 0,02 et \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 0,97 ± 0,01 de manière hautement reproductible. Et nous avons réalisé ces excellentes propriétés optiques avec une épaisseur de revêtement d'environ 100 µm seulement, ce qui est beaucoup plus fin que le revêtement polymère SDRC généralement > 300 µm9 (Fig. 9 supplémentaire). En utilisant la méthode de chauffage par étapes, nous avons obtenu une puissance de refroidissement de 84,9 ± 14,8 W m−2 sous une forte irradiance solaire (Isolaire) de 920 W m−2 (Fig. 13 supplémentaire). Et en utilisant la méthode de chauffage en suivi rapproché, nous avons obtenu la puissance de refroidissement d'environ 95 W m−2 sous un fort ensoleillement de 11h à 16h (Fig. 14 supplémentaire).

une distribution granulométrique des NP de TiO2 (caractérisée par la diffusion dynamique de la lumière) et l'efficacité de diffusion calculée (Qsca) en fonction de la taille des particules et de la longueur d'onde de la lumière incidente. Les forts pics de diffusion des particules de différentes tailles couvrent tout le spectre solaire en faveur d'une réflectance solaire élevée (R̅solaire). b Image de microscopie électronique à balayage montrant la surface du revêtement AACP composé de NPs de TiO2 formant une micro/nano-rugosité. c Un wireframe montrant la structure de PFOTS. d Image TEM montrant le composant fluorure greffé à la surface de TiO2 NP. e Spectre d'absorbance infrarouge à transformée de Fourier montrant la vibration d'étirement C-F entre 7,35 et 10 µm due à la fluoration, conduisant à une haute émittance du revêtement AACP dans la plage de longueurs d'onde correspondante. g R̅solaire, \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp et θroll en fonction de la densité de remplissage des NP de TiO2 (ϕ). La zone ombrée représente une plage de ϕ pour des propriétés optiques et de mouillage optimales.

On pense que l'une des applications les plus récompensées de l'AACP est utilisée comme matériau de toiture cool. Le vieillissement réel des matériaux de couverture frais comprend principalement les salissures et les intempéries. L'encrassement résulte principalement du dépôt de noir de carbone en suspension dans l'air, de poussière, de matière organique particulaire (POM) et de la croissance microbienne. L'altération provient principalement de l'exposition à l'irradiation UV de la lumière naturelle du soleil, accompagnée de variations d'humidité et de température du jour et de la nuit. Il faut beaucoup de temps, généralement plusieurs années, pour que les matériaux de toiture atteignent un état quasi stable de R̅solaire et \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)39. Ainsi, pour évaluer quantitativement les performances anti-vieillissement de l'AACP, nous avons réalisé des tests accélérés de salissure et de vieillissement basés sur la norme ASTM D7897-18 (détails dans Méthodes), qui a été développée notamment pour simuler les effets du vieillissement environnemental naturel sur R̅solaire et \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) des matériaux de toiture de manière accélérée, ce qui équivaut à 3 ans de salissure naturelle et 1 an de soleil naturel de Floride40. En suivant cette norme (Fig. 16 supplémentaire), nous avons souillé (mélange de suie, poussière, POM et sels) et altéré (4 h de pluie simulée à 50 °C, 8 h d'UV avec 0,89 W m−2 à 340 nm et 60 °C) les échantillons de revêtement puis mesuré le R̅solaire. Nous avons constaté que le R̅solaire du revêtement AACP ne diminuait que de 0,4 % par rapport à celui non souillé (de 0,930 à 0,926). Alors qu'à titre de comparaison, le R̅solaire d'un revêtement de peinture blanche hautement réfléchissant a diminué de 9,0 % (de 0,866 à 0,788, Fig. 3a). La diminution de R̅solaire pour la peinture blanche peut sembler acceptable. Cependant, comme nous l'avons souligné précédemment (voir Fig. 1a), pour réaliser SDRC, R̅solar doit être ≥ 0,9, ce qui est évident dans les mesures de température de ces échantillons de revêtement sous une forte Isolar de 915 W m−2 (Fig. 3b, pic Isolar > 1000 W m−2, Figs. 17 et 18 supplémentaires). Pour imiter les conditions de fonctionnement réelles, tous les tests sur le terrain ont été effectués sans pare-vent. Nous avons enregistré la différence de température (ΔT) entre l'échantillon de revêtement (Tsamp) et l'air ambiant (Tair), où ΔT = Tsamp − Tair. Le ΔT du revêtement de peinture blanche est passé de 0,3 à 4,7 °C après salissure. Même le revêtement poreux de fluoropolymère, en tant que matériau SDRC à la pointe de la technologie, ne peut pas conserver sa capacité de refroidissement contre ce test de salissure, en raison de sa faible hydrophobicité (Figs. 19 et 20 supplémentaires). Pendant ce temps, le \(\triangle T\) de notre revêtement AACP est passé de −3,8 à −3,5 °C, affectant à peine les performances de refroidissement. De plus, nous avons versé de la boue visqueuse, en tant qu'agent de salissure ultra-lourd, sur le revêtement AACP pour montrer son excellente capacité à réduire l'accrétion de substances salissantes (Fig. 3c, Fig. 21 supplémentaire, Film supplémentaire 1). Le test de vieillissement accéléré a été réalisé par 1000 h d'exposition aux UV à 60 °C (Fig. 3d), ce qui équivaut à 1 an d'ensoleillement naturel en Floride39. En raison de la résistance aux UV des NP de TiO2 et des fortes liaisons C − F dans les PFOTS, le R̅solaire du revêtement AACP n'a diminué que de 0,5% par rapport à celui d'origine (de 0,925 à 0,920). Le \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp et θroll étaient presque inchangés. À titre de comparaison, le R̅solaire du revêtement de peinture blanche a diminué de 5,4 % (de 0,856 à 0,810), le \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) a diminué de 2,3 % (de 0,944 à 0,922) (Fig. 23 supplémentaire).

un test R̅solaire après encrassement accéléré basé sur la norme ASTM D7897-18, équivalent à 3 ans d'encrassement naturel. Le revêtement AACP souillé a montré un R̅solaire presque intact par rapport au revêtement non souillé. Les encarts présentent les apparences visuelles des échantillons de revêtement avant et après la salissure. b Mesures de la température du revêtement montrant d'excellentes performances anti-salissures du revêtement AACP (23 août 2021, Chengdu). c De la boue visqueuse s'égoutte et s'écoule du revêtement AACP montrant une excellente fonction d'auto-nettoyage. d Les propriétés optiques et mouillantes presque inchangées du revêtement AACP après 1000 h d'exposition aux UV (0,89 W m-2 à 340 nm et 60 °C), équivalent à 1 an d'ensoleillement naturel en Floride.

Différent du vieillissement simulé, le vieillissement réel est plus complexe. Les salissures et les intempéries sont synergiques pour favoriser le cours du vieillissement39. Pour compenser la limitation du vieillissement simulé, nous avons effectué une exposition extérieure de plus de 6 mois à Chengdu (climat humide et chaud) et à Xi'an (climat sec et chaud) en Chine pour tester la durabilité des revêtements contre le vieillissement réel (Fig. 4a, b et Fig. 25 supplémentaire). Toutes les lames de revêtement ont été divisées en trois régions : non exposées/(exposées, lavées)/(exposées, non lavées). Le \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) de tous les échantillons n'a que peu diminué. Pour le revêtement de peinture blanche, le R̅solaire des trois régions était de 0,832/0,769/0,725, montrant une diminution de 7,6 % et 12,9 % respectivement. Fait remarquable, la baisse de notre AACP n'a été que de 0,4 % et 1,7 % (0,931/0,927/0,915). En ce qui concerne les propriétés autonettoyantes des revêtements AACP, après vieillissement, le θapp est resté supérieur à 150° et le θroll est resté inférieur à 5°.

a Photographies et b les propriétés optiques et mouillantes de l'AACP et du revêtement de peinture blanche après 6 mois d'exposition en extérieur (Chengdu, 30°40'36''N, 104°6'28''E, du 25 avril au 10 novembre 2021). Nous avons étudié les propriétés optiques et mouillantes des revêtements contre le vieillissement environnemental en divisant la lame de revêtement (5 × 15 cm) en trois régions : non exposée/(exposée, lavée)/(exposée, non lavée). c Démonstration de revêtement par pulvérisation et d Carreaux muraux extérieurs enduits AACP (40 × 80 cm). L'encart est une image infrarouge montrant la chute de température de la tuile enduite AACP (29 octobre 2021, Guangzhou, Chine). La boîte en fer blanc recouverte d'AACP (47 × 32 × 32 cm) a servi de preuve de concept, démontrant SDRC. L'Isolaire moyen était de 945 W m−2 (pic Isolaire > 1000 W m−2). Les encarts montrent la configuration de mesure de la température et l'apparence visuelle des boîtes en fer blanc. Pour une boîte en fer blanc revêtue d'AACP, ΔT ≈ −5,2 °C (25 mai 2021, Chengdu).

Nous avons encore renforcé la stabilité mécanique des revêtements AACP en utilisant la stratégie "peinture + adhésif" (Fig. 26 supplémentaire) 36,41. Une couche d'adhésif lie fortement le revêtement AACP sur le substrat, ce qui rend la robustesse contre le jet d'eau à grande vitesse, le pelage du ruban adhésif, l'abrasion par chute de sable et le test de rayures (Figs. Supplémentaires 27-30, Tableau Supplémentaire 2 et Film Supplémentaire 3). Notre formulation AACP peut être coulée en goutte/trempage, pulvérisée sur divers substrats, comme le mur extérieur du bâtiment (Fig. 4c), le verre, le métal, le bois et le plastique. Nous notons que d'excellentes valeurs R̅solaires (~ 0,92) peuvent être obtenues quels que soient les matériaux de substrat (Fig. 32 supplémentaire et Tableau supplémentaire 3), ce qui rend notre AACP idéal pour les matériaux de toiture extérieurs. Plus précisément, nous avons fabriqué une demi-douzaine de carreaux muraux extérieurs revêtus d'AACP pour démontrer les performances de refroidissement de manière évolutive (Fig. 4d, Fig. 33 et 34 supplémentaires, Film supplémentaire 4 et 5). De plus, à titre de preuve de concept, nous avons mesuré la température de l'air intérieur de la boîte en fer blanc revêtue d'AACP à midi pour montrer son grand potentiel en tant que matériaux de couverture frais (Fig. 4e).

En résumé, nous démontrons une stratégie pour réaliser un revêtement de refroidissement radiatif durable contre le vieillissement environnemental sévère sous forme de peinture, à savoir la peinture de refroidissement anti-âge (AACP), grâce à des NP de TiO2 assemblés par évaporation. Notre AACP est fondamentalement différent des matériaux de refroidissement radiatifs existants équipés d'hydrophobicité (tableau supplémentaire 4) : l'absence de liants polymères dans les revêtements contourne non seulement complètement le problème de dégradation UV, mais conduit également à une différence beaucoup plus grande de l'indice de réfraction entre le TiO2 et l'air par rapport aux matériaux SDRC polymères poreux, améliorant considérablement la capacité de diffusion de la lumière, nous permettant ainsi d'obtenir un R̅solaire élevé contre-intuitif avec un revêtement beaucoup plus fin ; la morphologie hiérarchique formée par des NP de TiO2 fluorés assemblés par évaporation possédant une caractéristique auto-similaire, assurant la fonction d'auto-nettoyage durable contre le vieillissement extérieur. Les performances optiques et anti-vieillissement qui en résultent, accompagnées d'une fabrication simple, d'une excellente évolutivité et d'une excellente rentabilité (Fig. 36 supplémentaire, tableau supplémentaire 5) ne peuvent pas être obtenues avec les approches existantes qui impliquent un substrat réfléchissant, des architectures multicouches ou une post-modification compliquée des matériaux de refroidissement radiatifs existants, en particulier lorsque l'évolutivité est une propriété souhaitée. Une exploration plus approfondie de cette stratégie de mise en œuvre de NP inorganiques peut être étendue à une large gamme de matériaux (Fig. 35 supplémentaire), comme le carbonate de calcium, l'oxyde d'aluminium, le dioxyde de silicium, le sulfate de baryum et d'autres pigments colorés répondant au confort visuel, poussant le SDRC vers les applications du monde réel.

1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrichlorosilane (PFOTS), nanoparticules (NPs) de dioxyde de titane (TiO2) de type rutile (Fig. 3 supplémentaire), particules de dioxyde de manganèse (MnO2), noir de carbone, oxyde ferrique (Fe2O3), acide humique (HAc), chlorure de sodium (NaCl), nitrate de sodium (NaNO3), sulfate de calcium dihydraté (CaSO4 ∙ 2H2O), éthanol (9 5 %), l'acétone (99 %), le formaldéhyde (99 %) et le toluène (99 %) ont été achetés chez Aladdin, Co. Tous les produits chimiques ci-dessus ont été utilisés tels que reçus. De l'eau déionisée (DI) a été produite à partir du système de purification d'eau Millipore Synergy UV-R. Des lames de verre borosilicaté (170 µm d'épaisseur) ont été achetées chez Marienfeld Superior. Des adhésifs de diverses marques ont été utilisés pour obtenir des performances similaires. La peinture blanche commerciale a été achetée auprès de Sherwin – Williams (extra blanc, numéro de produit A74W00051). Le poly (fluorure de vinylidène-co-hexafluoropropylène) (PVDF-HFP, Kynar Flex® 2801) a été acheté chez Arkema. Des plaques d'argent et d'aluminium, des lames en plastique (5 mm d'épaisseur) en poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), une feuille de tilleul (10 mm d'épaisseur), des agents salissants (y compris la montmorillonite, la bentonite, la cendre de charbon et le sable), des feuilles d'aluminium, des carreaux muraux extérieurs (40 × 80 cm), des boîtes en fer blanc (47 × 32 × 32 cm) et du matériel de revêtement par pulvérisation ont été achetés sur le marché local.

Des PFOTS et des NP de TiO2 ont été ajoutés dans de l'éthanol, qui a été agité pendant 5 h à température ambiante (environ 25 ° C) pour avoir une suspension uniforme apparente. Le rapport pondéral PFOTS / TiO2 / éthanol de 0, 1 / 1, 3 / 10 (Fig. 12 supplémentaire) a été utilisé en routine pour fabriquer la suspension AACP. La suspension AACP préparée peut être coulée en goutte/trempage ou pulvérisée/brossée sur diverses surfaces pour former des revêtements uniformes. Dans le présent travail, la méthode de coulée en goutte a été choisie pour fabriquer régulièrement des revêtements à partir d'AACP. En utilisant la microscopie électronique à balayage pour observer l'image en coupe des couches de revêtement, nous avons obtenu l'épaisseur du revêtement (Fig. 4 supplémentaire). Les données d'épaisseur moyenne et l'écart type correspondant ont été obtenus à partir d'au moins 5 mesures à différentes positions. Pour améliorer la durabilité mécanique des revêtements AACP, une couche d'adhésif a d'abord été brossée sur le substrat avant la coulée en goutte d'AACP, améliorant la force de cohésion entre le substrat et l'AACP. De la peinture blanche commerciale a été utilisée telle que reçue pour badigeonner le substrat en tant que groupe témoin. Des revêtements poreux à partir de PVDF-HFP ont été obtenus via un procédé basé sur l'inversion de phase selon le rapport précédent9. En bref, le PVDF-HFP et l'acétone ont d'abord été mélangés pour former un mélange de solution, puis de l'eau y a été ajoutée pour induire une inversion de phase liquide-solide afin d'avoir des revêtements solides. Le rapport pondéral PVDF-HFP/acétone/eau est de 1/8/1. Pour la démonstration d'évolutivité de l'AACP, une coucheuse par pulvérisation a été utilisée pour peindre sur des carreaux muraux extérieurs. Pour obtenir une couche de revêtement uniforme d'environ 100 µm, une série de paramètres d'équipement ont été choisis à cet effet, notamment 0,1 bar comme pression d'entraînement, une taille de buse de 2,5 mm, un rendu de 320 mL min-1 comme débit, environ 40 cm comme distance de pulvérisation et un temps de pulvérisation d'environ 1 min pour peindre l'ensemble du carreau (40 × 80 cm).

Le calcul de la densité de tassement (ϕ) était basé sur le principe de conservation de la masse. La masse volumique des NPs de TiO2 est d'environ 4,26 g cm−3, mesurée par le pycnomètre Ultrapyc 5000. À titre d'exemple, pour un substrat de 5 × 5 cm, la teneur en solide utilisée de la suspension de TiO2 est de 0,48 g (le rapport pondéral TiO2/éthanol est de 1,3/10), l'épaisseur de revêtement sec mesurée est d'environ 100 µm, puis ϕ est calculé comme \(\frac{0,478{{{{\rm{g}}}}}/4,26{{{{{\rm{g\; c}}}}}}{{{{{{ \rm{m}}}}}}^{-3}}{25{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2}\times 100{{{{{\rm{\mu }}}}}}{{{{\rm{m}}}}}}\environ 0,45\). En pratique, la concentration de TiO2 dans l'éthanol est le facteur déterminant pour contrôler l'amplitude de ϕ, une concentration élevée correspondant à un ϕ élevé et vice versa.

La réflectance solaire (R̅solaire) de l'AACP et d'autres échantillons de revêtement a été mesurée et moyennée dans une plage de longueurs d'onde (λ) de 0,3 à 2,5 µm à l'aide de PerkinElmer LAMBDA 950 avec une sphère d'intégration en polytétrafluoroéthylène. L'émittance des revêtements a été mesurée à l'intérieur de λ de 2,5 à 16 µm à l'aide de PerkinElmer Spotlight 200I avec une sphère d'intégration en or. L'émittance infrarouge à ondes longues (LWIR) (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)) à la fenêtre atmosphérique transparente a été calculée en faisant la moyenne des données d'émittance sur une longueur d'onde de 8 à 13 µm. Pour chaque échantillon de revêtement, les données moyennes et l'écart type correspondant ont été obtenus à partir d'au moins 3 mesures.

Les mesures de l'angle de contact statique apparent avec l'eau (θapp) et de l'angle de roulis (θroll) ont été effectuées sur OCA 50 AF, Dataphysics. Pour la mesure de θapp, une gouttelette de 6 µL a été placée sur la surface du revêtement et est restée immobile. L'angle entre la tangente à l'interface liquide-vapeur et la surface solide a été enregistré comme θapp. Pour la mesure de θroll, une gouttelette de 10 µL a été placée sur la surface du revêtement et le substrat a été incliné à une vitesse de 0,1° par seconde. La valeur θroll a été enregistrée au moment du roulement des gouttelettes. Pour chaque échantillon de revêtement, les données moyennes et l'écart type correspondant ont été obtenus à partir d'au moins 5 mesures à différentes positions.

Pour obtenir le facteur de dissipation d'énergie (EDF) des gouttes d'eau lors de l'impact sur les surfaces de revêtement, une gouttelette d'eau de 5 µL a été libérée d'une hauteur de 10 mm pour impacter la surface de revêtement, et la gouttelette a rebondi après l'impact. La hauteur maximale (h, unité de mm) de la goutte rebondissant après le premier impact a été enregistrée à l'aide d'une caméra haute vitesse (Photron, Fastcam SA5) à 10 000 fps (images par seconde). Alors l'EDF est défini comme EDF = (10 − h)/10. Pour chaque échantillon de revêtement, les données moyennes et l'écart type correspondant ont été obtenus à partir d'au moins cinq mesures à différentes positions.

Les images de microscopie optique ont été acquises sur le microscope Nikon LV ND. Des analyses par microscopie électronique à balayage (SEM) et par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) ont été réalisées sur Phenom Pro X. L'analyse morphologique et élémentaire des NP de TiO2 a été réalisée par microscopie électronique à transmission (TEM) à l'aide de FEI Talos F200S Super-X. L'analyse thermogravimétrique (TGA) des échantillons de revêtement a été réalisée sur Q50 TGA (TA Instrument) avec une vitesse de chauffage de 10 °C min-1 sous un flux d'azote gazeux (50 ml min-1). L'analyse des groupes fonctionnels a été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR, Thermo Fisher Nicolet Is10). Le diagramme de diffraction des rayons X sur poudre des NP de TiO2 a été acquis à l'aide d'un diffractomètre à rayons X (XRD, Bruker D8 Advance). La distribution granulométrique des NP de TiO2 a été examinée par diffusion dynamique de la lumière (DLS), granulomètre laser, Zetasizer Nano ZS-90. Des expériences de diffusion de rayons X aux ultra-petits angles (USAXS) ont été réalisées sur la ligne de lumière BL10U1 à l'installation de rayonnement synchrotron de Shanghai. Un détecteur Eiger-4M a été utilisé pour collecter les données de diffusion bidimensionnelle (2D). La longueur d'onde des rayons X était de 1,24 Å (énergie correspondante de 10 keV). La taille du faisceau était de 400 × 450 µm. Tous les échantillons ont été enduits sur un substrat de mica circulaire (presque transparent aux rayons X) avec une épaisseur de 0,1 mm et un diamètre de 30 mm. La distance entre le revêtement et le détecteur était de 27 600 mm. Le temps de collecte des données était de 10 s pour toutes les mesures. Le logiciel Fit2D (v12.077) a été utilisé pour réduire les données brutes 2D en courbes unidimensionnelles (1D). Une caméra infrarouge (R300, Mission Technology Co.) a été utilisée pour obtenir des images infrarouges.

Les solutions FDTD de Lumerical 2020 R2.4 ont été utilisées pour étudier l'effet de la densité de garnissage des NP de TiO2 et de la taille des nanoparticules sur la réflectance solaire du revêtement. La dimension du maillage est de 20 × 20 × 20 nm. En raison de la puissance de calcul limitée, un modèle de compactage a été appliqué, l'épaisseur du film a été fixée à 2 µm et le spectre simulé est de 0,25 à 2,5 µm de longueur d'onde. Des épaisseurs de 10 et 20 µm ont également été étudiées et ont obtenu des tendances de variation similaires. Un diamètre de 200 nm de NP de TiO2 a été utilisé pour générer la date de la Fig. 1c. Les résultats sont présentés dans la Fig. 5 supplémentaire.

Tous les tests sur le terrain ont été effectués à Chengdu, en Chine. Pour imiter les conditions de fonctionnement réelles de l'AACP, nous avons mesuré la variation de température et la puissance de refroidissement des revêtements sans la mise en œuvre d'écran anti-vent et anti-radiation. Tous les échantillons ont été enduits sur des substrats en verre avec un support en ruban noir, qui pourrait absorber la lumière transmise, le cas échéant. Un thermocouple de type J a été fixé à l'arrière du verre et connecté à l'enregistreur de données de thermocouple à 4 canaux Onset HOBO UX120-014M. Les données d'irradiance solaire (Isolar) ont été enregistrées à l'aide d'un pyranomètre à thermopile SP-510 d'Apogee Instrument. Le thermocouple surveillant la température ambiante était protégé par un abri de thermomètre pour empêcher le chauffage solaire direct. Tous les échantillons et instruments ont été placés sur un panneau d'isolation sous vide recouvert d'une mousse de polystyrène pour limiter le transfert de chaleur non radiatif. Une station météorologique (modèle DC5V, YiGu Co.) a été utilisée pour surveiller l'humidité relative ambiante et la vitesse du vent (Fig. 15 supplémentaire). L'ensemble de la configuration a été affiché dans la Fig. 17 supplémentaire.

La puissance de refroidissement du revêtement AACP a été déterminée en entrant de la puissance thermique, laissant l'échantillon atteindre la température ambiante. Ensuite, cette puissance thermique pourrait être traitée comme égale à la puissance de refroidissement de l'échantillon sans tenir compte du transfert de chaleur non radiatif. Une discussion détaillée était dans la section Estimation de la puissance de refroidissement radiative. Nous avons utilisé à la fois la méthode par étapes et la méthode de suivi rapproché pour déterminer respectivement la puissance de refroidissement. En utilisant la méthode par étapes, nous avons choisi d'augmenter la puissance thermique de manière progressive à midi, en laissant la température de l'échantillon atteindre progressivement l'état stable dans un intervalle de temps de 5 minutes. Ensuite, nous avons tracé la différence de température entre l'échantillon et la température ambiante en fonction de la puissance thermique, comme le montre la Fig. 13 supplémentaire. La puissance de refroidissement était alors égale à la puissance thermique lorsque la différence de température atteignait zéro. La puissance calorifique provenait d'un réchauffeur flexible Kapton® personnalisé contrôlé par un Keithley 2400 SourceMeter. Le contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID) via LabVIEW a été utilisé pour réguler la puissance thermique en réponse à la valeur de température souhaitée de l'échantillon. Un thermocouple a été fixé entre l'arrière du verre enduit et l'élément chauffant pour surveiller la variation de température donnant des données de rétroaction pour la précision du contrôle. La température de l'échantillon, la puissance thermique et les données d'écart type correspondantes ont été obtenues au cours des 3 dernières minutes de chaque intervalle de temps après le pic transitoire initial de la puissance thermique. En utilisant la méthode de suivi rapproché, le réchauffeur a été contrôlé par le même programme de contrôle PID pour laisser la température de surface AACP égale à la température ambiante de manière rapprochée en temps réel de 11 h à 16 h. Ensuite, nous pouvons obtenir la variation de puissance de refroidissement sur une période de 5 h pendant la journée (Fig. 14 supplémentaire). Tous les revêtements pour les tests sur le terrain étaient sur des substrats de verre de 5 × 5 cm.

Nous avons simulé 3 ans d'effet de salissure naturelle sur les revêtements selon la norme ASTM D7897-18, qui a été développée pour évaluer l'effet de salissure sur la réflectance solaire et l'émittance thermique des matériaux de toiture. Selon cette norme, nous avons préparé le mélange de salissures artificielles composé de quatre agents de salissures, à savoir la suie, la poussière, la matière organique particulaire (POM) et les sels, comme indiqué dans la Fig. 16 supplémentaire. Les formules sont les suivantes :

Suie : 0,26 ± 0,01 g de noir de carbone ont été mélangés avec 1 L d'eau distillée pour avoir une suspension ;

Poussière : Un mélange de 0,3 ± 0,02 g de Fe2O3, 1,0 ± 0,05 g de montmorillonite et 1,0 ± 0,05 g de bentonite a été distribué dans 1 L d'eau distillée pour obtenir une suspension à une concentration de 2,3 ± 0,1 g/L ;

POM : 1,4 ± 0,05 g de HAc ont été mélangés avec 1 L d'eau distillée pour avoir une suspension ;

Sels : Un mélange de 0,3 ± 0,03 g de NaCl, 0,3 ± 0,03 g de NaNO3 et 0,4 ± 0,03 g de CaSO4 ∙ 2H2O a été dissous dans 1 L d'eau distillée pour obtenir une solution avec une concentration de 1,0 ± 0,1 g/L.

Les quatre agents salissants ci-dessus ont été mélangés pour simuler des matériaux salissants naturels. Le rapport pondéral suies/poussières/POM/sels était de 5/47/28/20. Ce mélange salissant a été versé dans une cuve de pulvérisation, équipée d'un manomètre à air. Ensuite, nous avons pulvérisé le mélange de salissures de manière continue et uniforme sur les revêtements à une distance de 30 cm au-dessus. Les agents de salissure humides pulvérisés ont été contrôlés à 8 ± 1 mg cm-2. Le revêtement souillé a ensuite été séché sous une lampe chauffante infrarouge. Des étapes de vieillissement avant et après la procédure de salissure ont été effectuées pour simuler l'irradiation ultraviolette (UV) et l'effet de vieillissement naturel de l'humidité et de la pluie. Cette étape de vieillissement comprenait 2 cycles de 8 h d'UV avec 0,89 W m-2 à 340 nm et 60 °C, 4 h de pluie simulée à 50 °C.

La boue a été formulée en mélangeant de la cendre de charbon et de l'eau. Des rapports pondéraux de cendres de charbon de 50 % et 80 % ont été produits pour simuler une boue à faible et haute viscosité. Nous avons fait couler la boue (1 g cm−2 à chaque fois) sur les revêtements pour étudier l'effet de salissure. Le processus de salissure a été répété dix fois. L'effet de nettoyage a été montré dans la Fig. 21 supplémentaire, le tableau supplémentaire 1 et le film supplémentaire 1.

Des particules de MnO2 avec des diamètres allant de centaines de nanomètres à des dizaines de microns ont été utilisées pour simuler des contaminations par la poussière. Environ 10 mg cm-2 de particules de MnO2 ont été répartis uniformément sur les revêtements. Des gouttes d'eau et des souffles de vent ont été effectués pour étudier respectivement l'effet de nettoyage. Le cycle salissure-nettoyage a été répété 10 fois. L'effet de nettoyage est présenté dans la Fig. 2 supplémentaire, le tableau supplémentaire 1 et le film supplémentaire 2.

10 mg cm-2 de sable sont répartis uniformément sur les revêtements. Une condensation d'eau a été mise en place sur les revêtements pour étudier l'effet nettoyant. L'échantillon de revêtement a été placé sur une platine froide d'environ 5°C inclinée à 45°. La température ambiante était d'environ 25 °C et l'humidité relative était contrôlée à 99 %. L'effet de nettoyage a été montré dans la Fig. 22 supplémentaire.

Nous avons placé les revêtements dans une chambre de vieillissement UV (HT-UV3, Haotian Testing Equipment Co.). 1000 h (~42 jours) d'irradiance UV avec 0,89 W m-2 à 340 nm et 60 °C ont été utilisées pour des expériences de vieillissement accéléré. Cette dose d'UV équivaut à 1 an d'exposition au soleil de Floride (dose d'UV annuelle d'environ 275 MJ m-2). L'exposition au soleil de la Floride est une référence internationale pour les tests de durabilité des matériaux.

Le revêtement AACP avec des adhésifs a été placé sur une étape de chauffage à environ 100 ° C pendant 1000 h. Les propriétés optiques et de mouillage après chauffage ont été présentées dans la Fig. 24 supplémentaire.

La vitesse moyenne du jet, v, peut être calculée comme \(v=\frac{4V}{\pi {d}^{2}\triangle t}\), où V est le volume d'eau éjecté pendant la durée de Δt et d est le diamètre de l'aiguille. 10 ml d'eau ont été éjectés d'une aiguille de 2 mm de diamètre en 400 ms, avec une vitesse moyenne de 8 m s−1. Cette vitesse est équivalente à la vitesse des gouttes de pluie dans l'orage (v ≈ 9 m s−1). Un jet d'eau avec une vitesse plus élevée sortant d'un robinet (d = 5 mm, v ≈ 10 m s−1) a également été utilisé pour tester l'intégrité du revêtement AACP, comme le montre le film supplémentaire 3.

Un ruban 3 M VHB 5925 a été appliqué pour tester la force d'adhérence entre le revêtement et le substrat. Un rouleau de 1 kg a été enroulé deux fois sur le ruban pour que le ruban tienne fermement sur la surface de revêtement. Ensuite, la bande a été décollée. Le processus de test et les propriétés du revêtement après le pelage du ruban ont été présentés dans la Fig. 28 supplémentaire.

Des sables d'un diamètre de 50 à 300 µm ont été utilisés pour tomber sur une surface de revêtement de 24 × 60 mm d'une hauteur de 30 cm. Pour chaque chute de sable, une masse totale de sable de 20 g a été utilisée. Le test d'abrasion a été répété 100 fois. Le processus de test et les propriétés du revêtement après le test de chute de sable ont été présentés dans la Fig. 29 supplémentaire.

Le test de résistance aux rayures a été réalisé selon la norme ASTM D7027-20 (mode de test A). Plus précisément, une rayure a été appliquée sur la surface du revêtement AACP sous une charge normale de 2 N, 20 N et 50 N respectivement, sur une distance de 0,1 m (± 0,0001 m) à un taux de rayure constant de 0,1 m s-1 (± 0,0005 m s-1). Les propriétés du revêtement après le test de rayure sont indiquées dans la Fig. 30 supplémentaire et le tableau supplémentaire 4.

L'échantillon de revêtement était sur des substrats en verre (22 × 60 mm) d'une épaisseur d'environ 100 μm. Les concentrations du courant d'alimentation en formaldéhyde et en toluène ont toutes deux été contrôlées à 30 ppm dans le courant d'azote gazeux. L'humidité du gaz a été contrôlée à 50 % et le débit total a été fixé à 25 mL/min. Une lampe UV (300 W) a été placée verticalement au-dessus du réacteur (0,357 L). La longueur d'onde de la lumière incidente a été contrôlée à 365 nm et l'intensité lumineuse à 0,29 W cm-2. La lampe a été allumée après avoir atteint l'équilibre d'adsorption-désorption. Les concentrations de formaldéhyde, de toluène, d'eau et de CO2 ont été enregistrées en continu par un analyseur multi-gaz (DKG-42A, Duke Technology). L'efficacité de conversion des polluants a été calculée comme η (%) = (C0 - C)/C0 × 100 %, où C0 et C représentent la concentration de formaldéhyde ou de toluène dans le flux d'alimentation et la concentration en temps réel dans le flux de sortie, respectivement42. Les résultats sont présentés dans la Fig. 31 supplémentaire.

Deux sites en Chine ont été sélectionnés pour démontrer les performances de durabilité à long terme de l'AACP en extérieur. L'un était Chengdu (30°40'36''N, 104°6'28''E) en climat humide et chaud, datant du 25 avril au 10 novembre 2021. L'autre était Xi'an (34°17'57''N, 108°58'21''E) en climat sec et chaud, du 1er mai au 30 novembre 2021. Les échantillons de revêtement (5 × 15 cm) ont été fixés sur un panneau d'affichage (80 × 120 cm) incliné à 30° face au ciel. Toutes les lames de revêtement ont été divisées en trois régions : non exposées/(exposées, lavées)/(exposées, non lavées). Nous avons utilisé une feuille d'aluminium pour envelopper un tiers de la diapositive en tant que région "non exposée". Le "lavage" se faisait par rinçage à l'eau du robinet. Lorsque l'exposition extérieure a été finalisée, les échantillons ont été récupérés pour tester les propriétés optiques et de mouillage. Les résultats du vieillissement des échantillons à Xi'an ont été présentés dans la Fig. 25 supplémentaire.

La réflectance solaire (R̅solaire) est définie comme le rapport de la puissance solaire réfléchie dans le λ de 0,3 à 2,5 µm à l'intégrale de l'intensité solaire dans la même gamme de longueurs d'onde43 :

où Isolar(λ) est le spectre d'inclinaison global ASTM G173-03 AM 1.5, R(λ) est la réflectance spectrale mesurée de l'échantillon.

De la même manière, l'émittance thermique (\({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\)) est définie comme le rapport de l'énergie de rayonnement thermique de l'échantillon dans la fenêtre de transparence atmosphérique primaire infrarouge à ondes longues (LWIR) (λ de 8 à 13 μm) à l'intégrale de l'intensité spectrale émise par un corps noir standard dans la même plage de longueurs d'onde :

où \(\varepsilon \left(T,\lambda \right)\) est l'émittance spectrale mesurée de l'échantillon et Ibb(T, λ) est l'intensité du rayonnement du corps noir à une température de T calculée par la loi de Planck :

où \(\hslash\) est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière dans le vide, kB est la constante de Boltzmann. Dans le présent travail, la température T est fixée à 298 K.

Pour évaluer les performances de refroidissement des matériaux de refroidissement radiatifs, la chute de température sous-ambiante est un paramètre permettant de ressentir intuitivement la capacité de refroidissement. Cependant, étant donné que les conditions d'essai, telles que l'emplacement, la vitesse du vent et l'humidité, etc., peuvent varier au cas par cas, il est difficile d'obtenir la même réduction de température même pour le même matériau à partir de différents essais44. Par conséquent, il est plus approprié d'utiliser la puissance de refroidissement pour comparer objectivement la capacité de refroidissement de divers matériaux.

Pour estimer la puissance de refroidissement d'une surface de refroidissement radiative, nous partons de l'analyse du bilan de transfert de chaleur en régime permanent45. Pour une surface de refroidissement radiative avec une température \(T\) et une température ambiante Ta, la puissance nette de refroidissement Pnet(T, Ta) est calculée comme

où Prad(T) est la puissance émise par la surface, Patm(T) est la puissance absorbée par le rayonnement atmosphérique, Psun est la puissance énergétique du soleil et Pnrad(T, Ta) est la puissance de transfert de chaleur non radiative provenant de l'échange de chaleur conducteur et/ou convectif environnant. Pour une surface de refroidissement radiative d'une surface unitaire de 1 m2, Pnrad(T, Ta) peut encore être exprimé comme hc(Ta – T) en introduisant un coefficient de transfert de chaleur non radiatif hc (unité de W m−2 K−1). Comme nous l'avons mentionné précédemment, les conditions environnementales réelles pourraient fortement influencer le hc en le faisant varier de 2 à 20 W m−2 K−1 44. Ainsi, pour exclure ce facteur non contrôlé, nous pouvons fixer ΔT = Ta – T = 0, éliminant ainsi le terme Pnrad(T, Ta). En pratique, nous avons utilisé un réchauffeur pour compenser la perte de chaleur du dispositif de refroidissement pour rendre sa température égale à celle ambiante. Ensuite, la puissance de refroidissement nette Pnet(T, Ta) devient Pnet(Ta, Ta) et peut être définie plus précisément comme Pcool(Ta), qui est égale à la puissance calorifique.

Considérons maintenant un scénario idéal, c'est-à-dire que le matériau de refroidissement radiatif a une réflectance de 100 % dans le spectre solaire (λ de 0,3 à 2,5 µm) et une émittance de 100 % dans la fenêtre de transparence atmosphérique primaire (λ de 8 à 13 µm). Alors, (1 − R̅solaire)Psun = 0.

et

où \(\varepsilon (\lambda,\theta )\) et \({\varepsilon }_{{{{{{\rm{a}}}}}}}\left(\lambda,\theta \right)\) sont l'émissivité spectrale et angulaire de la surface de refroidissement radiative et de l'air ambiant, ta(λ, 0) est la transmission atmosphérique à l'angle zéro du zénith. Dans notre estimation, les données de ta(λ, 0) proviennent du logiciel de modélisation ATRAN. La puissance de refroidissement repose principalement sur l'émittance spectrale de surface à travers la fenêtre de transparence atmosphérique primaire avec λ de 8 à 13 µm. On obtient alors Pcool(Ta) comme

En conséquence, Pcool en fonction de la température ambiante Ta peut être tracé comme indiqué sur la Fig. 1a du texte principal. Il convient de noter que nous avons défini R̅solaire = 1 pour éliminer la puissance solaire absorbée dans la discussion ci-dessus. On peut étudier l'impact d'un R̅solaire imparfait simplement en réintroduisant un terme non nul de (1 − R̅solaire)Psun pour avoir l'énergie nette de refroidissement Pnet(Ta) :

Nous estimons l'électricité économisée sur un immeuble de bureaux commercial de trois étages avec un toit de 1600 m2 pour l'AACP et une peinture blanche réfléchissante pour une période de 3 ans. La procédure de simulation est similaire au travail précédent.5 EnergyPlus (version 22.1.0) a été utilisé pour déterminer la consommation d'électricité avec un système standard de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) basé sur les données météorologiques horaires de la ville de Singapour (climat chaud) acquises à partir des fichiers IWEC (International Weather for Energy Calculation). La température intérieure du bâtiment était fixée à 24 °C en tout temps et le système CVC fonctionnait en continu. La puissance de refroidissement de l'AACP a été calculée selon l'Eq. (9) avec entrée des données de température ambiante, d'éclairement solaire et de couverture nuageuse, puis soustraites de la charge thermique du bâtiment. Un coefficient de performance (COP) de 2,8 a été utilisé pour calculer la chaleur restante dissipée dans le bâtiment. La réflectance et l'émittance du toit du bâtiment de référence par défaut ont été fixées à 0,3 et 0,9. Pour le toit peint en blanc, l'émittance a été fixée à 0,9. La réflectance a été définie avec une tendance à la baisse de 0,87, 0,82 et 0,78 pour chaque année sur une période de 3 ans. Pour l'AACP, la réflectance a été fixée à 0,93, 0,928 et 0,926 pour chaque année, et l'émittance a été fixée à 0,97. Les résultats de la simulation sont présentés dans la Fig. 36 supplémentaire. En raison du vieillissement de l'environnement, les économies d'électricité pour la peinture blanche diminuent chaque année de 12,2 à 8,4 kWh m−2, tandis que l'AACP offre des performances d'économie d'énergie robustes au-dessus de 50 kWh m−2. Dans le tableau supplémentaire 5, nous avons comparé le coût entre l'AACP et deux autres peintures blanches courantes sur la base d'un mètre carré. Nous constatons que le coût de l'AACP est comparable aux prix des produits commerciaux (~$5 m−2 contre $4 m−2). Dans ce cas, la différence d'économie d'électricité entre l'AACP et la peinture blanche est d'environ 40 kWh m−2 pendant 1 an. Nous supposons que le coût de l'électricité du réseau est de 0,1 kWh−1 $, alors la différence de coût entre l'AACP et la peinture blanche peut être compensée la première année ou peut-être même sur une période plus courte, ce qui montre le grand potentiel de l'AACP d'être une solution rentable en tant que toit frais pour atténuer la demande d'énergie pour une forte charge de refroidissement.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

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Nous remercions B. Hu pour son aide sur l'acquisition d'images infrarouges. Nous sommes reconnaissants à la ligne de faisceau USAXS BL10U1 résolue en temps au SSRF (Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Chine) pour avoir fourni le temps de faisceau. Nous reconnaissons le soutien financier de la National Natural Science Foundation of China (22072014, XD), des Fundamental Research Funds for the Central Universities (ZYGX2019J119, XD), du Chengdu Science and Technology Bureau (2021-GH02-00105-HZ, XD), du Shenzhen Science and Technology Program (JCYJ20210324142210027, XD) et du Sichuan Outstanding Fondation des jeunes chercheurs (21JCQN0235, XD).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Jianing Song, Wenluan Zhang.

Institut des sciences fondamentales et frontalières, Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Chengdu, 610054, Chine

Jianing Song, Wenluan Zhang, Zhengnan Sun et Mengyao Pan

École d'ingénierie de l'automatisation, Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Chengdu, 611731, Chine

Wen Luan Zhang

Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Zhangjiang Lab, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Science, Shanghai, 201204, Chine

Feng Tian et Xiuhong Li

Physique des matériaux et analyse, BASF Advanced Chemicals Co., Ltd. 333 Jiang Xin Sha Road, Pudong, Shanghai, 200137, Chine

Ming Ye

Institut d'études avancées de Shenzhen, Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Shenzhen, 518110, Chine

Xu Deng

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JS, WZ et XD ont conçu la recherche et conçu les expériences. JS et WZ ont réalisé les expériences, analysé les résultats. ZS a participé aux tests sur le terrain et à la production de données vidéo. MP a réalisé la simulation FDTD, FT et XL assistés sur les mesures USAXS, MY assistés sur les mesures mécaniques. XD et WZ ont supervisé le projet. Tous les auteurs ont analysé et interprété les données et rédigé l'article.

Correspondance à Wenluan Zhang ou Xu Deng.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie Zhengmao Lu et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

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Réimpressions et autorisations

Song, J., Zhang, W., Sun, Z. et al. Refroidissement radiatif durable contre le vieillissement environnemental. Nat Commun 13, 4805 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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Reçu : 07 avril 2022

Accepté : 29 juillet 2022

Publié: 16 août 2022

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

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