[论文解读] Atomistic metrics of BaSO$_4$ as an ultra-efficient radiative cooling material: a first-principles prediction

Zhen Tong, Joseph Peoples+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 47被引用 7

一句话总结

本研究利用第一性原理计算与蒙特卡洛模拟预测，硫酸钡-丙烯酸纳米复合材料可实现超高效辐射冷却，其在8–13 μm大气窗口波段的太阳反射率为92.5%，法向发射率为96.0%，优于α-SiO₂。关键洞见在于，能带隙与折射率的平衡可实现强散射与低吸收，而丰富的红外活性声子模式则通过Reststrahlen带产生高发射率。

ABSTRACT

Radiative cooling has recently revived due to its significant potential as an environmentally friendly cooling technology. However, the design of particle-matrix cooling nanocomposites was generally carried out via tedious trial-and-error approaches, and the atomistic physics for efficient radiative cooling was not well understood. In this work, we identify the atomistic metrics of Barium Sulfate (BaSO$_4$) nanocomposite, which is an ultra-efficient radiative cooling material, using a predictive first-principles approach coupled with Monte Carlo simulations. Our results show that BaSO$_4$-acrylic nanocomposites not only attain high total solar reflectance of 92.5% (0.28 - 4.0 um), but also simultaneously demonstrate high normal emittance of 96.0% in the sky window region (8 - 13 um), outperforming the commonly used $α$-quartz ($α$-SiO$_2$). We identify two pertinent characters of ultra-efficient radiative cooling paints: i) a balanced band gap and refractive index, which enables strong scattering while negating absorption in the solar spectrum, and ii) a sufficient number of infrared-active optical resonance phonon modes resulting in abundant Reststrahlen bands and high emissivity in the sky window. The first principles approach and the resulted physical insights in this work pave the way for further search of ultra-efficient radiative cooling materials.

研究动机与目标

• 确定控制纳米复合材料中超高效辐射冷却的原子尺度结构参数。
• 通过建立可预测的第一性原理框架，克服辐射冷却材料设计中试错法的局限性。
• 解释为何BaSO₄在辐射冷却性能上优于当前最先进的α-SiO₂。
• 基于材料的本征电子与晶格性质，推导高性能辐射冷却材料的一般设计原则。
• 验证第一性原理方法在无实验光学常数材料的介电函数与辐射性能预测中的有效性。

提出的方法

• 利用Bethe-Salpeter方程进行第一性原理计算，以在太阳光谱与中红外波段范围内计算BaSO₄的介电函数。
• 通过非谐晶格动力学模拟，精确建模声子介导的光子-晶格相互作用与红外吸收。
• 采用蒙特卡洛模拟，基于预测的介电函数，预测BaSO₄-丙烯酸与α-SiO₂-丙烯酸纳米复合材料的透射率、反射率与发射率。
• 系统比较BaSO₄与α-SiO₂在太阳光谱范围（0.28–4.0 μm）与大气窗口波段（8–13 μm）的光学性能。
• 对带隙、折射率及红外活性声子模式数量进行定量分析，以关联原子结构与宏观辐射性能。
• 采用优值因子（0.21）评估材料在直射阳光下实现低于环境温度冷却的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaSO₄的哪些原子尺度特性使其在辐射冷却性能上优于α-SiO₂？
• RQ2 材料的带隙与折射率如何影响其太阳反射率与吸收特性？
• RQ3 红外活性声子模式与Reststrahlen带在决定8–13 μm大气窗口波段高热发射率中的作用是什么？
• RQ4 第一性原理方法能否准确预测缺乏实验光学常数材料的辐射性能？
• RQ5 哪些通用的原子尺度度量可指导下一代辐射冷却材料的可预测性设计？

主要发现

• BaSO₄-丙烯酸纳米复合材料在0.28–4.0 μm太阳光谱范围内实现了92.5%的总太阳反射率，高于α-SiO₂。
• BaSO₄在8–13 μm大气窗口波段的法向发射率达到96.0%，显著高于α-SiO₂的94.0%。
• 性能提升归因于约5.0 eV的平衡带隙与高折射率，这在太阳光谱范围内最大化了散射并最小化了吸收。
• BaSO₄的红外活性声子模式数量多于α-SiO₂，导致丰富的Reststrahlen带，从而在大气窗口波段产生更高的发射率。
• BaSO₄-丙烯酸的辐射冷却优值因子计算为0.21，表明其在直射阳光下具有实现显著低于环境温度冷却的强潜力。
• 本研究识别出两个通用的原子尺度度量：(1) 平衡的带隙与折射率，以实现高太阳反射率；(2) 高密度的红外活性声子模式，以实现高大气窗口波段发射率。