美国东北大学郑义教授课题组JMCA：可持续降温的超白淀粉薄膜

减少人类对空调等高耗电冷却技术的依赖对重塑全球能源模式至关重要。近日，美国东北大学郑义教授课题组博士刘杨 （现美国圣母大学博士后），通过利用天然淀粉糊化、冷冻干燥和致密化工艺，制造了一种超白冷却淀粉薄膜，其太阳反射率高达 0.96，红外发射率高达 0.94。冷却淀粉薄膜的多孔结构可由机械压制工艺控制，可有效反射太阳辐射，同时在大气透明窗口实现强发射，从而实现高效的日间辐射冷却能力。此外，冷却淀粉薄膜表现出优异的机械抗拉强度。超白辐射冷却淀粉薄膜对优化冷却能源使用具有重要前景，尤其是在炎热干旱的气候下。该论文发表于 Journal of Materials Chemistry A。

图 1 由天然淀粉制备的可持续辐射冷却膜及其高效辐射冷却机制。

研究内容

图 2展示了冷却淀粉膜的制备过程。首先，将马铃薯淀粉溶解在热去离子水中，同时进行机械搅拌，直到形成均匀、半透明的淀粉糊溶液。再将糊化的淀粉溶液倒在模具中进行冷冻，再在冻干机中冷冻干燥，形成超白多孔淀粉块。最后，将多孔白色块机械压成坚硬的冷却淀粉膜。冷却淀粉膜的多孔结构可实现产生强烈、大角度的太阳光反射。虽然机械按压降低了冷却淀粉膜的表面孔隙率（图3），但该过程可减小冷却淀粉膜内部孔隙的尺寸并增加其密度，从而增强了可见光范围内的反射，如图4所示。致密的冷却淀粉膜的平均太阳反射率高达96%，凸显了其优异的散射特性。同时，冷却淀粉膜具有超高的红外发射率（约 0.94），可透过大气透明窗口（8-13 微米）向寒冷的外层空间发射强烈的红外辐射。

图 2 冷却淀粉膜的制备工艺。

图 3 冷却淀粉膜的表面特性。按压前淀粉膜的 (a) 底部和 (b) 横截面的 SEM 图，以及按压后淀粉膜的 (c) 底部和 (d) 横截面的 SEM 图。

图 4 冷却淀粉膜的辐射冷却机理。（a）厚度为 8 毫米的原始淀粉块和厚度为 0.8 毫米的压制冷却淀粉膜的光谱反射率。（b）直链淀粉和支链淀粉的分子结构示意图。（c）淀粉的 FTIR 透射光谱。

为了研究冷却淀粉膜的表面形貌和多孔结构对太阳光反射和红外热发射的影响，我们进一步分析了在不同机械压力（0 MPa、30 MPa、40 MPa 和 50 MPa）下制备的冷却淀粉膜的光谱特性，如图5所示。Starch_30MPa表现出最高的太阳光反射率（0.96）。而较高压力下的Starch_40MPa和Starch_50MPa的太阳光反射率则随着机械压力的增加而降低，分别为0.94和0.92。这是因为适当压力（30 MPa）的机械按压可以增加冷却淀粉膜内部孔隙的密度，可以抵消因按压而导致表面孔隙减少带来的不利影响，从而增强对太阳光的反射。但是过高的压力（如40 MPa和50 MPa）会破坏更多的表面孔隙，明显降低冷却淀粉膜的表面孔隙率，导致多孔的冷却淀粉膜趋向于平面结构，从而降低由孔隙驱动的太阳光散射能力，如图6所示。此外，图5b显示该类淀粉膜在8~13 μm范围内表现出较高的红外发射率。因此，具有适当孔径和孔隙率的多孔结构可以在高太阳反射和高红外发射之间保持高性能平衡，从而有效提高多孔辐射冷却结构的辐射冷却极限。

图 5 在不同机械压力下冷却淀粉薄膜的光学特性。

图 6 不同压力下冷却淀粉膜的SEM 图。

为了评估冷却淀粉薄膜的辐射冷却能力，户外实验显示（图7），冷却淀粉膜可实现了平均低于环境温度6.8°C 的冷却性能，在太阳强度为 643 W/m²下，最大温降为11.3°C 。冷却淀粉膜在夜间也可实现平均低于环境温度2.8°C 的冷却。同时，轻木板和涂漆木板的平均温度分别比冷却淀粉膜高 6.4°C 和 4.7°C。与典型的建筑材料相比，冷却淀粉膜具有出色的辐射冷却能力。同时，在糊化过程中，马铃薯淀粉吸水膨胀，淀粉分子间的氢键断裂，形成均匀的胶体溶液。当糊化淀粉干燥时，水分逐渐蒸发，直链淀粉和支链淀粉分子重新结合。特别是马铃薯淀粉中直链淀粉含量较高，通过氢键形成紧密而坚固的网络结构。此外，机械外力按压薄膜，使冷却淀粉膜中的孔隙和空隙减少，从而使其更加致密和坚硬，如图8所示。

图 7 冷却淀粉膜的辐射冷却实验。

图 8 冷却淀粉膜的机械性能。