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材料发现中隐藏的宝石:用重晶石治愈我们的气候

通过|2021年4月27日

许多开创性的材料都是通过在尘封的档案中重新发现的宝石而找到它们的起源,重晶石可能就是其中之一。

插图:Daniela Guzmán Angel

在讲授材料化学时,我总是让我的学生用几句话解释某些材料是如何改变我们的世界的。我最喜欢的包括光纤通信中的二氧化硅、微电子学中的硅、发光二极管中的氮化镓、电池中的氧化钴锂等等。虽然把这些材料想象成精密工程和有针对性设计的产品可能很诱人,但这些开创性的材料中有很多都是在尘封的档案中被重新发现的宝石。

在此之后,最近的一份报告启发我加入了重晶石(BaSO)4在我的古代但具有革命意义的材料清单上。重晶石是一种不透明的悬浮液,在对消化道进行x射线或CT扫描之前使用,传统上用于钡餐。重晶石作为一种无动力的空调替代品,有可能减少城市气候变化的影响:被动辐射冷却

相比之下,大多数现代应用中使用的冷却技术都是基于焦耳-汤普森压缩膨胀系统,这种系统因使用温室气体冷却剂、能源成本和CO而臭名昭著2排放。随着人口的增长和全球变暖,这些昂贵系统的影响只会增加,因为预计空调系统的数量将从现在的12亿增加到2050年的45亿。大部分的增长将发生在城市温度的上升更加明显由于城市热岛效应。

如果不进行干预,目前冷却技术的扩展预计将贡献额外的1670亿吨二氧化碳2到2050年,温室气体排放将占全球能源供应的很大一部分,到2100年,温室气体排放将导致全球气温上升0.5摄氏度一个恶性循环排放的增加,温度的上升,以及更大的降温需求。

经《自然》许可转载施普林格©材料研究会,2020年

现在,重晶石作为新一代高效被动日间辐射冷却(PDRC)材料的先锋登场了。这些材料是高效的,因为它们的光学特性——在太阳光谱波长范围内的低吸收率和高反射率可以最大限度地减少热量吸收,以及在最能穿透“大气窗口”的波长内的高发射率。冷却的潜力最大化

使重晶石成为理想选择的关键材料性能指标包括它的深紫外光电子带隙用于低太阳吸收和加热,以及9微米声子频率用于高发射率的天空窗口用于高冷却。粒径分布可优化其反射率和发射率,平均冷却功率分别为97.6%、0.96和117 W/m2,在最大可能100%、1和150 W/m的打击距离内2,分别。头衔持有人60卷% BaSO4/丙烯具有98.1%的反射率和0.95的发射率,使其成为PDRC涂料的候选材料。

在干燥气氛的理想条件下,重晶石在20-30°C的最大可达到的辐射冷却功率是令人印象深刻的150 W/m2和100 w / m2在0°C,前者提供温度降低范围4-10°C。

尽管有这些令人鼓舞的价值,这种材料还有一个致命的弱点:水。在潮湿的大气中,由于在吸水带的透射率降低,冷却速度受到阻碍。例如,在湿度高于60%时,发现冷却功率下降到50 W/m以下2

结果表明,重晶石颗粒膜和颗粒聚合物涂料的PDRC性能接近理想的吸收、反射和发射效果,使其成为一个重要的竞争者一系列表面的辐射冷却sub-ambient温度。

尽管重晶石有很好的前景,但这并不意味着在没有对PDRC涂层的经济和环境效益进行逐个应用的综合分析的情况下,就应该广泛实施PDRC涂层。这包括对能源和涂料成本的净节约和CO的总体减少进行评估2“足迹”指的是取代传统的降温方法,这些方法因地理位置、污染程度和当地气候的不同而不同。例如,重晶石的实施已被严格证明比PDRC更有效,与CO2减少了制冷时的排放和能源消耗用作屋顶的涂层与传统的白色屋顶相比。

经《自然》许可转载施普林格©材料研究会,2020年

一次又一次,我对科学界的聪明才智感到敬畏和鼓舞。尽管现代化学的趋势是使用华丽的机器学习和自动化来加快新材料的发现,但我们不要忘记,有时我们的解决方案就在我们脚下,就在我们科学史上隐藏的宝石中。

写的:杰弗里Ozin陆恭蕙(Joel Loh)和叶洁西卡(Jessica Ye)

加拿大多伦多大学太阳能能源集团,电子邮件:g.ozin@utoronto.ca网站:www.nanowizard.info,www.solarfuels.utoronto.ca,www.artnanoinnovations.com