CeO?及其基于CeO?的复合氧化物材料在被动日间辐射冷却中的结构特性

《Inorganic Chemistry Communications》：Structural properties of CeO 2 and CeO 2-based composite oxide materials for passive daytime radiative cooling

被动日间辐射冷却材料研究：通过固体反应法合成CeO?和LaMnO?/CeO?/Fe?O?复合材料，优化8-14μm窗口内近红外反射率（100%）和红外发射率（0.97-0.99），显著降低表面温度，解决传统材料性能不足及稳定性问题，为建筑和工业节能提供新方案。

　　近年来，随着全球对高效热管理解决方案的需求不断上升，被动日间辐射冷却（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）作为一种可持续替代传统机械冷却系统的策略，受到了越来越多的关注。PDRC技术通过在大气透明窗口（ATW; 8–14 μm）范围内辐射热能，同时反射入射的近红外辐射（NIR），实现无需外部能源的冷却效果。这种技术在建筑冷却、工业过程和电子散热等领域展现出广阔的应用前景，有望显著降低能源消耗并减少对环境的影响。然而，当前用于PDRC的材料往往面临诸多挑战，如在关键的ATW区域中太阳反射率（R_NIR）和红外发射率（IR_e）不足，这限制了其在实际应用中的冷却效率。因此，如何开发出兼具高反射率和强发射率的新型材料成为研究的重点。

本研究提出了一种基于氧化铈（CeO?）的新型复合材料LaMnO?/CeO?/Fe?O?（简称LCMF），旨在通过材料的多相协同作用，提升其在ATW区域内的辐射冷却性能。CeO?因其优异的热化学稳定性、宽禁带（E_g; 3.0–3.2 eV）以及立方氟石结构，成为PDRC材料研究的热点之一。其高R_NIR性能主要归因于低自由载流子吸收和在太阳光谱范围内的电子跃迁减少。此外，通过掺杂和晶格调控，CeO?的光学性质可以进一步优化，从而增强IR_e性能，使其更适合PDRC应用。然而，CeO?在实际环境条件下的表现，如对湿度、灰尘和温度波动的耐受性，仍需进一步改进。同时，其高生产成本和规模化生产难度也阻碍了其在大型PDRC系统中的广泛应用。

为解决这些问题，本研究设计并合成了一种新型复合材料LCMF，该材料结合了CeO?的高反射性能与LaMnO?和Fe?O?的结构稳定性。LaMnO?的引入有助于晶格结构的调整，从而增强材料的热发射能力；Fe?O?的添加则可以提高材料的结构稳定性，减少长期使用中的性能衰减。这种多相复合材料的设计目标是通过材料间的协同效应，实现更高的R_NIR和IR_e，同时提升材料的耐久性和环境适应性。通过系统研究CeO?和LCMF复合材料的晶体结构、微观特征以及光学行为，重点分析了其禁带宽度（E_g）、氧空位（Vo••）分布和晶格畸变对辐射冷却性能的影响。

实验结果显示，经过1200°C下6小时烧结后的CeO?和LCMF复合材料均呈现出立方相结构。微观结构分析表明，这些材料具有较大的晶面形态，并伴有颗粒聚集现象，其平均晶粒尺寸为2 μm。进一步研究表明，禁带宽度和氧空位的数量对R_NIR和IR_e性能具有显著影响。具体而言，CeO?的R_NIR达到100%，而LCMF复合材料的R_NIR为50%。同时，CeO?的IR_e值为0.97，LCMF的IR_e值为0.99，显示出较高的热发射能力。这些数据表明，LCMF复合材料在辐射冷却性能上优于CeO?，同时保持了良好的稳定性。

在实际应用方面，为了评估PDRC材料的热绝缘性能，CeO?和LCMF复合材料被应用于铝（Al）和碳纤维增强聚合物（CFRP）基底。实验中，将合成的粉末与醇酸树脂按1:1.5的重量比混合，随后进行自然干燥。为了进行对比分析，CeO?涂层与未涂覆的Al和CFRP基底被纳入热绝缘实验，以评估其在控制条件下的性能表现。结果显示，LCMF复合材料在热绝缘性能方面表现出色，能够有效降低表面温度，同时具备良好的耐久性。这表明，LCMF复合材料不仅在辐射冷却方面具有优势，而且在实际应用中表现出更强的稳定性和适应性。

此外，本研究还通过X射线衍射（XRD）分析了CeO?和LCMF复合材料的晶体结构。结果表明，烧结后的材料主要形成了LaMnO?、CeO?和Fe?O?的立方晶相。XRD图谱进一步验证了材料的结构稳定性，为后续的光学性能研究提供了基础。光学反射率和红外发射率的测试结果表明，LCMF复合材料在ATW区域内的反射率和发射率均优于CeO?，显示出更高的冷却潜力。这些发现为设计具有热稳定性和化学稳定性的PDRC材料提供了新的思路，有助于推动被动冷却技术的发展，减少对聚合物基底或表面涂层的依赖。

综上所述，本研究通过合成CeO?和LCMF复合材料，系统探讨了其在PDRC中的应用潜力。实验结果表明，LCMF复合材料在R_NIR和IR_e方面均表现出色，同时具备良好的热稳定性和耐久性。这表明，LCMF复合材料有望成为提升建筑和工业过程能源效率的新型材料，为被动冷却技术的发展提供了重要的理论和技术支持。未来的研究可以进一步探索LCMF复合材料在不同环境条件下的长期性能，以及其在更大规模应用中的可行性，以实现更广泛的实际应用。