Nature Communications | 基于LCA輔助的層次化設計實現全生命周期CO?減排的輻射冷卻涂層

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研究背景

實現碳中和目標需要在產品全生命周期內持續減少CO?排放，涵蓋原材料提取、加工、服役和廢棄處置四個階段。被動日間輻射冷卻技術作為一種新興的冷卻技術，通過將熱量以紅外輻射形式散發至外太空，可有效降低建筑制冷能耗。然而，現有輻射冷卻涂層主要關注服役階段的節能效益，忽視了原材料提取階段的高碳排放問題——傳統填料（如TiO?、BaSO?等）的生產過程本身就會產生大量CO?排放，占涂層全生命周期排放的60%以上。

針對上述問題，本研究創新性地建立了LCA驅動的材料設計框架，將生命周期評估方法與材料/工藝設計深度融合，從全生命周期視角重新審視輻射冷卻涂層的碳減排潛力。研究團隊通過CO?礦物封存技術，利用鹽湖提鋰副產物鎂鹽和工業煙氣CO?，規模化制備了碳負性的SDS誘導水菱鎂礦填料，并將其與耐候性優異的聚偏氟乙烯樹脂復合，開發出兼具高光學性能與長服役壽命的輻射冷卻涂層。

這一設計不僅解決了傳統涂層原材料提取階段的高碳排放問題，還通過提升光學性能和服役穩定性，進一步增強了服役階段的碳減排效益，為開發真正意義上的碳負性功能材料提供了新范式。

相關工作以“An LCA-assisted hierarchical design of radiative cooling coating for full life-cycle CO? reduction”為題發表在《Nature Communications》（JCR一區，中科院一區TOP，IF=14.7）上。

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研究內容

本研究聚焦于輻射冷卻涂層全生命周期CO?減排的協同調控機制。研究團隊首先通過LCA分析揭示了傳統商業白涂層（CWC）的碳排放結構：原材料提取階段占全生命周期排放的89.81%，其中填料貢獻高達59.90%。基于此，研究創新性地提出了全生命周期碳負性涂層設計策略。

在原材料提取階段，研究開發了CO?礦物封存技術制備碳負性S-HM填料。利用鹽湖提鋰副產物鎂鹽（MgCl?·6H?O）和工業煙氣CO?作為原料，通過添加十二烷基硫酸鈉調控填料形貌與粒徑，制備出具有花狀/巢狀球形微結構、D50為3.92 μm、孔隙率約55%的S-HM填料。該過程每生產1噸S-HM可封存0.420噸CO?，并副產1.160噸高純度NH?Cl，實現原材料提取階段的CO?負排放（-0.817 tCO? eq/t）。

在加工與服役階段，研究選擇PVDF作為樹脂基體，其強分子振動賦予高紅外發射率（≥0.96），優異的成膜性與耐候性確保長期服役穩定性。S-HM填料體積分數70%、涂層厚度300 μm時，涂層太陽反射率達96.24%，紅外發射率達0.978，遠超商業反射冷卻涂層的85.76%和0.958。戶外實測表明，在北京地區（混合濕熱氣候）白天峰值時段平均降溫5.80℃，最大降溫8.75℃，冷卻功率穩定在112.50 W/m2；在西安地區（混合干熱氣候）平均降溫9.13℃，冷卻功率達114.65 W/m2。

在服役耐久性方面，涂層表現出超疏水特性（接觸角151.38°），可實現自清潔；經360小時60℃人工海水浸泡后，結合力僅下降1.8%（CRCC下降15.5%）；經5年等效加速老化后，太陽反射率僅從96.30%降至95.44%，接觸角從151.50°降至150.36%，而CRCC則從85.70%降至81.26%。LCA分析表明，在全球19個氣候區部署時，1噸S-HM基涂層相比CRCC可實現0.571~13.709噸CO?當量減排，相當于每年種植32~762棵樹。

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研究數據

圖1. 全生命周期碳負性PDRC涂層設計概念。(a) 商業白涂層（CWC）全生命周期CO?排放，階段I（原材料提取）占總排放89.81%，其中填料貢獻高達59.90%；(b) CWC全生命周期CO?排放隨填料碳排放和服役壽命的變化；(c) CWC全生命周期CO?排放隨光學性能和服役壽命的變化；(d) S-HM基輻射冷卻涂層全生命周期CO?排放，各階段均實現碳減排。

圖2. S-HM基輻射冷卻涂層的設計、制備與光學特性。(a) S-HM基涂層設計與工作機理；(b) S-HM填料制備流程示意圖；(c) 不同粒徑S-HM填料的太陽光譜平均散射效率；(d) S-HM基涂層漿料具有良好的流動性；(e) 50×45 cm鋁基板上S-HM基涂層照片；(f) S-HM基涂層最優反射與發射光譜（R_solar=96.24%，ε_LWR=0.978）；(g,h) S-HM基涂層太陽反射率與紅外發射率的廣角依賴性。

圖3. S-HM基輻射冷卻涂層的亞環境冷卻性能。(a,b) 北京戶外測試裝置示意圖與實物圖；(c) 環境溫度、CRCC和S-HM基涂層溫度數據及太陽輻照度與相對濕度（2023年7月15-16日）；(d) S-HM基涂層冷卻功率及環境參數（2023年7月17日）；(e) 涂覆不同涂層的鐵容器實物圖；(f) 不同容器中心溫度及環境參數；(g) 不同容器溫度與環境溫度差值；(h) 上午08:00與下午14:00三組容器的紅外熱成像。

圖4. S-HM基輻射冷卻涂層的服役耐久性。(a) S-HM基涂層與CRCC的自清潔能力對比；(b) 劃格法附著力測試（ASTM D3359-2），兩者均達到4B等級；(c) 60℃人工海水浸泡360小時前后表面形貌對比；(d) 浸泡前后結合力變化；(e) 5年等效加速老化前后太陽反射率與接觸角變化；(f) 色差與光澤度保持情況。

圖5. 全生命周期分析與全球潛力。(a) S-HM基涂層相比CRCC在各階段的CO?減排量（以北京4A熱工區為例）；(b) 1噸S-HM基涂層全生命周期碳流圖；(c) 1噸CRCC全生命周期碳流圖；(d) 全球19個氣候區部署1噸S-HM基涂層的CO?減排潛力。

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研究結論

本研究通過將生命周期評估與理性材料設計深度融合，成功開發了一種全生命周期碳負性的輻射冷卻涂層，實現了從原材料提取到服役階段的全鏈條CO?減排。研究得出以下主要結論：

（1）LCA分析揭示了傳統輻射冷卻涂層的碳排放結構：原材料提取階段占全生命周期排放的89.81%，其中填料貢獻高達59.90%。這一發現為材料設計提供了明確導向——實現全生命周期碳減排必須從原材料階段入手。

（2）通過CO?礦物封存技術，利用鹽湖提鋰副產物鎂鹽和工業煙氣CO?，成功制備了碳負性S-HM填料（-0.817 tCO? eq/t）。該過程每生產1噸S-HM可封存0.420噸CO?，并副產1.160噸高純度NH?Cl，為填料生產提供了可持續路徑。

（3）S-HM填料經SDS誘導形成花狀/巢狀球形微結構（D50=3.92 μm，孔隙率~55%），與PVDF樹脂復合后，涂層太陽反射率達96.24%，紅外發射率達0.978，顯著優于商業反射冷卻涂層（85.76%，0.958）。戶外實測表明，在混合濕熱與混合干熱氣候區均實現穩定亞環境冷卻（降溫5.80-9.13℃，冷卻功率112.50-114.65 W/m2）。

（4）S-HM/PVDF涂層表現出優異的服役耐久性：超疏水特性（151.38°）賦予自清潔能力；經360小時60℃人工海水浸泡后，結合力僅下降1.8%（CRCC下降15.5%）；5年等效加速老化后，太陽反射率保持95.44%（CRCC降至81.26%），為長期服役碳減排提供了保障。

（5）LCA分析表明，在全球19個氣候區部署時，1噸S-HM基涂層相比CRCC可實現0.571~13.709噸CO?當量減排，相當于每年種植32~762棵樹。經濟成本分析顯示，該涂層生產成本約1202美元/噸，具有市場競爭力。

本研究實現了LCA方法、材料設計與CO?減排技術的深度融合，為開發全生命周期碳負性功能材料提供了新范式，在建筑節能、熱管理和可持續材料領域展現出重要應用前景。

DOI：10.1038/s41467-026-69560-4

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