南京大学唐少春教授、王学斌教授&苏州国家实验室童祎:可规模化抗紫外长寿命热管理功能涂层,助力可持续户外建筑热管理

快速城市化进程与全球变暖，正日益加剧城市热岛效应，这不仅对构建宜居城市环境构成严峻挑战，且导致建筑制冷的能耗急剧攀升。被动辐射降温提供了一种全新的零能耗热管理技术：它能够高效反射太阳光辐射（0.3–2.5 μm），同时借助大气窗口（8–13 μm）向深空辐射热量。

尽管已报道的一些无机辐射降温材料展现出了优异的降温性能，但其复杂的制造工艺、高昂的成本阻碍了大规模实际应用。有机聚合物基辐射降温材料在成本、可加工性及规模化生产方面更具优势，然而，这类有机涂层存在工程应用中因紫外线照射导致光降解不稳定等问题。因此，攻克有机功能材料在长期服役下的抗紫外老化瓶颈对工程应用尤为关键。

相关研究成果以题为“Achieving Robust Ultraviolet Resistance in Scalable Radiative Cooling Coatings for Sustainable Outdoor Building Thermal Management”发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces, 2026, doi: 10.1021/acsami.6c01110。

1、本研究研发出了一种先进的高性能辐射降温涂层，解决了被动辐射降温涂层材料在长期工程应用中面临的耐候性问题。

2、将核壳结构ZnO@SiO₂纳米颗粒均匀分散到多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）基材中，并利用喷涂工艺（大面积建筑墙面、工程装备等专用，具有高通量、易规模化优点）制备而成。

3、通过精准调控纳米多孔结构，并调节核壳纳米颗粒的光选择性，最终涂层实现了高达 96.6%的太阳波段反射率和97.2%的中红外发射率。

4、在强太阳光户外照射环境下，将该涂层使建筑墙体表面降温达到14.1 °C，比商用白漆的降温效能提升了43.6%。尤为突出的是，在经历100天连续户外太阳辐照测试后，该涂层的太阳光反射率仅下降了1.9%，展现出卓越的抗紫外老化能力。

图1. (a) 用于建筑物的PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层示意图。(b) 纳米复合功能涂层的降温原理与内部结构。(c) 采用喷涂工艺纳米复合涂层的制备流程。

如图1所示，本研究设计了核壳结构ZnO@SiO₂颗粒，解决了高表面能纳米颗粒易团聚的问题。利用富含表面官能团的纳米SiO₂优异分散性，有效降低了ZnO纳米颗粒间的相互作用力并抑制其集聚，在保留抗紫外性能的同时，显著提升了体系的均匀分散性。在此基础上，采用大面积建筑可规模化、高通量的喷涂工艺，通过不断优化参数，成功制备了PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层。

图2. (a) SiO₂纳米颗粒的SEM图像。(b) ZnO@SiO₂纳米颗粒的SEM图像。(c) SiO₂、ZnO及ZnO@SiO₂纳米颗粒的XRD图谱。(d) PVDF-HFP涂层，(e) PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的SEM图，(f) 两种涂层材料的XRD图谱。

如图2所示，球形SiO₂颗粒的平均直径为~400 nm，包覆了ZnO纳米层后，ZnO@SiO₂颗粒的平均直径增加到~420 nm，表明纳米ZnO已成功包覆在球形SiO₂颗粒的表面。最终制备的PVDF-HFP涂层和PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层，都表现出多孔结构，其特点是同时包含了微孔和纳米孔，而且ZnO@SiO₂纳米颗粒均匀分散在多孔聚合物基材中。XRD图谱（图2f）分析表明，无机纳米颗粒和有机聚合物实现了复合。

图3. (a)不同质量分数ZnO@SiO₂纳米颗粒涂层的太阳波段反射率。(b) PVDF-HFP与PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的光学性能对比。(c) PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层在不同非辐射传热系数下的冷却性能。(d) 我们涂层与国际上报道的PVDF-HFP基材料/涂层的光学性能对比。(e, f) 不同直径SiO₂纳米颗粒、ZnO纳米颗粒的模拟散射效率。(g) 不同孔径PVDF-HFP 涂层的模拟散射效率。(h-i) PVDF-HFP涂层在0.5 μm (h) 和2.5 μm (i) 波长下的电场分布。(j-k) PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层在0.5 μm (j) 和2.5 μm (k) 波长下的电场分布。

如图3所示，我们制备的PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层，其太阳波段反射率测量计算值为96.6%，中红外发射率达97.2%，净冷却功率经测定为85.7 W·m^-2。其国际上已报道的PVDF-HFP基材料或涂层相比，PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层更具有优势。模拟分析结果表明，引入纳米ZnO后，无机颗粒的散射效率进一步提升。尤其是，在0.5μm和2.5 μm波长处，纳米颗粒引入了密集的二次散射中心和局部场热点，显著增强了涂层针对太阳光波段的总散射和反射能力。

图4. (a) 涂覆于PVC发泡板表面(60 cm × 60 cm × 12)PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层。(b) 模拟不同环境温度与太阳辐射的实验装置示意图。(c) 氙灯照射下PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的表面温度变化曲线。(d) 实验测试装置的实物照片。(e) 降温测试单元装置示意图。(f) 两种涂层的实测温度变化情况。(g) 无覆盖、涂覆商用白漆以及我们研制PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的建筑表面红外热成像图。

如图4所示，我们通过喷涂工艺很容易实现了涂层的大面积制备及应用。采用氙灯测试，PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的表面温度最终稳定在一定数值。在户外测试中，PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的表面温度显著低于环境温度。采用建筑模型进行评估，PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层在暴露于强太阳光照射600秒后表现出更优异的冷却降温性能（达5.6°C），比商用白漆的降温效能提升了43.6%。

图5. (a) 两种涂层经过100天户外实测前后的太阳光反射率对比，插图为测试前后的形貌实拍图。(b) 实测前后的光学性能对比。(c) PVDF-HFP 涂层与PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的实测降温结果对比。(d) 涂覆于建筑模型表面的涂层样品实物图及(e) 实测温度变化曲线。(f) ZnO@SiO₂纳米颗粒增强涂层抗紫外性能的微观机理示意图。

我们进一步研究了涂层在长期暴露于紫外照射下辐射降温性能的稳定情况。如图5所示，可以看到，经过100天连续户外太阳光照射后，PVDF-HFP/ZnO@SiO₂涂层的冷却性能仅略有下降，其反射率仅下降了1.9%。在强烈日照的真实户外环境下，将该涂层应用于建筑外墙时，其表面温度显著降低达14.1 °C。机理示意图（图5f）详细探讨了ZnO@SiO₂纳米颗粒能够显著提升涂层抗紫外性能防老化的原因，为其进一步规模化工程应用提供了理论支撑。

本研究成功开发出一种核壳纳米粒子改性、具有优异抗紫外性能的可规模化辐射冷却涂层。该涂层不仅拥有卓越的光调制能力（太阳光波段反射率达96.6%，中红外发射率达97.2%），而且抗紫外防老化性能优异。尤其是，通过喷涂工艺能够将涂层大面积均匀涂覆于被降温物体的表面。户外实测显示，经过100天连续户外太阳光照射后，该涂层反射率仅下降了1.9%。其高效辐射冷却性能和卓越的抗紫外性能的结合，以及低成本、大面积制备的工艺优势，突破了该领域长期存在的户外耐候性瓶颈问题，为长效辐射冷却技术在现代建筑、大型装备工程中的广泛应用提供了切实可行的路径。

引用本文

Borong Zhu, Xueping Sun, Xuguang Luo, Yi Tong*, Xuebin Wang*, and Shaochun Tang*. Achieving Robust Ultraviolet Resistance in Scalable Radiative Cooling Coatings for Sustainable Outdoor Building Thermal Management. ACS Applied Materials & Interfaces, 2026, DOI: 10.1021/acsami.6c01110