城大突破性研發可應用於建築物的製冷瓷磚 有效提升能源效益及對抗全球暖化

香港城市大學（城大）團隊最近在研發被動輻射製冷材料方面取得重大突破，成功研發了一種名為「製冷瓷磚」（cooling ceramic）的物料，可透過其高效能的光學特質達致零耗能和無需製冷劑的製冷，兼具高成本效益、耐用及多功能的優點，廣泛地適合於商業應用，特別是建築業。研究結果已刊載於著名學術期刊《科學》，題為「具有高太陽反射率的階層式結構被動輻射製冷瓷磚」（Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity）。

製冷瓷磚可減低建築物的熱負荷，即使在惡劣天氣下仍能保持穩定的冷凍表現，有助提升能源效益及對抗全球暖化。

論文通訊作者之一的城大能源及環境學院曹之胤教授表示，被動輻射製冷被視為最具潛力的環保製冷技術，有助應對社會對空間冷凍的迫切需求，減低環境污染及對抗全球暖化。

然而，目前採用納米光子結構的被動輻射製冷材料，不但成本高，而且兼容性低，難以應用，另一替代材料——聚合物光子則易受天氣影響，且未能有效反射陽光。

提升光學特性和應用能力

曹教授說：「我們研發的製冷瓷磚便具有高效能的光學特性，並且應用性很強。製冷瓷磚的顏色、耐候性能（即不受氣候影響）、機械結構堅固度及抑制『萊頓弗羅斯特效應』（Leidenfrost effect，一種阻礙高熱物料傳熱和令其表面液體無法有效冷卻的現象）的能力，均確保其耐用性及具備多元化應用的特質。」 

製冷瓷磚的獨有特質，源於其作為塊體瓷磚材料，內裡具有的階層式多孔結構。其製作過程只需要採用容易取得的氧化鋁等非有機材料，然後通過相轉化及燒結兩個簡單步驟，，即可製成；過程中無需使用精密設備或成本高昂的材料，因此可大量生產製冷瓷磚。

被動輻射製冷材料的冷凍效果，取決於兩種不同波長範圍的光子特質：太陽光波長範圍（0.25至2.5微米）及中紅外線波長範圍（8至13微米）。高效冷凍需要具有高反射能力的太陽光波長範圍，以減少吸收陽光熱能；而具有高散射能力的中紅外線波長範圍，則可盡量令幅射熱能消散。由於氧化鋁具有廣闊的能帶差距，因此可盡量減少吸收太陽熱能。

此外，製冷瓷磚不但模擬了甲殼蟲白金龜的生物白色，並按「米氏散射理論」（Mie scattering）優化其多孔結構，令它可高效散射近乎所有波長的陽光，達致接近完美的99.6%陽光反射率（最高紀錄的反射率），以及達96.5% 的高水平中紅外線熱能散射率。憑藉上述高效能的光學特性，令新研發的製冷瓷磚超越目前的先進材料。

曹教授說：「以氧化鋁造成的製冷瓷磚，能達致理想的抗紫外光效果，可減低因紫外光造成的損害，解決了大部分以聚合物光子製成的物料所面對的問題。此外，製冷瓷磚能夠抵禦攝氏1,000度以上高溫，其極佳的防火能力超越大部分聚合物基或金屬基的被動輻射製冷材料。」

製冷瓷磚具卓越耐候性能

除了優秀的光學表現，製冷瓷磚更有極佳的耐候性能、化學穩定度及機械結構堅固度等優點，非常適合長期戶外應用。製冷瓷磚在極高溫下有超親水表現，這是由於它具有互相連結的多孔結構，可快速吸收水滴，並同時令水滴於表面立即散開，因此能夠抑制傳統建築外殼材料常有的「萊頓弗羅斯特效應」，達致高效蒸發冷卻。

「萊頓弗羅斯特效應」是指液體接觸到遠超其沸點的物件表面時出現的一種現象，即液體未能立即沸騰蒸發，反而形成一層水蒸氣，阻隔液體直接與高熱物體表面接觸。水蒸氣會減慢高熱表面的傳熱速度和令其表面液體無法冷卻，以致液體懸浮，並在高熱物體表面四處滾動。

曹教授說：「製冷瓷磚美妙之處是既能符合被動輻射製冷材料的高效能要求，亦能符合實際應用所需。」他指出，製冷瓷磚另可配上雙層設計的顏色，達致美觀的效果。

曹教授說：「我們的實驗發現在屋頂上鋪設製冷瓷磚，可節省20%以上用於冷卻空間的電力，反映製冷瓷磚極有潛力，減少大眾依賴傳統的主動製冷方式，並能提供可持續的解決方案，避免電網超出負荷，減少溫室氣體排放及城市熱島效應。」

曹教授補充，研究團隊計劃按照目前的研發基礎，進一步提升被動熱能管理策略，探索如何應用這些策略以提升能源效率、提倡可持續發展，並促使紡織、能源系統及交通等行業更容易接觸及應用被動輻射製冷技術。

除了曹教授，城大機械工程學系客座教授兼香港理工大學協理副校長（研究及創新）王鑽開教授，亦是論文的通訊作者。第一作者及第二作者分別是曹教授指導的城大能源及環境學院博士生林凱昕及陳思如。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2023/11/10/new-cooling-ceramic-can-enhance-energy-efficiency-construction-sector-and-help-combat-global-warming-cityu-research