碳量子点驱动的环保辐射制冷纳米涂层

香港的建筑物占全港用电量约九成，产生逾六成的碳排放。因此，在建筑物推行节能措施须持之以恒，以逐步减缓气候变化带来的影响。香港理工大学（理大）研究团队成功开发一款自适性环保辐射制冷纳米涂层，能应用于建筑物天台和外墙等，毋须消耗任何能源下，即可有效降低建筑物表面温度高达摄氏25度，并降低室内温度约摄氏2至3度。新型涂层既无毒又耐用，且不含任何金属，更可大规模生产，有助推动以环保节能方法缓解城市热岛效应及助力实现碳中和目标。

以反射物料覆盖外墙及天台，有助建筑物自我调节热环境，继而降低室内环境温度。一般采用的被动式辐射制冷材料，不能根据环境变化自动调节制冷量，应用具局限性。为此，理大建筑环境及能源工程学系教授吕琳教授带领的研究团队，联同核心成员博士后研究员龚权博士，开发了以「碳量子点」（Carbon Dots）驱动的光致发光辐射制冷纳米涂层，能因应太阳辐射量，自动调节其制冷量。光致发光辐射制冷涂层是利用光致发光材料将太阳能转化为光能，太阳光度强度愈大，涂层的太阳光反射率愈高，以避免建筑物吸收过量热力。

然而，传统的光致发光材料属于稀土金属和钙钛矿，存在环境污染问题。而吕琳教授的团队以具开创性的方法，采用纳米大小的环保有机合成物「碳量子点」作为光致发光材料，解决此问题。这种环保无害的有机材料涂盖在中空的玻璃微珠表面，制成智慧制冷球，令涂层有效地将紫外线转换成可见光光子，提升太阳能反射率。新型涂层具水溶性特点，使用时只需等待水分蒸发及凝固，便可形成涂层覆盖在建筑物表面，过程中不会释放任何挥发性有机化合物，减少空气污染的问题。

实验结果显示，与传统辐射制冷涂层相比，新型涂层可将日间的有效太阳能反射率由92.5%提升至95%，冷却效果比传统涂层高10至20%，例如于混凝土天台采用，更可降温高达摄氏25度。

另外，与政府机构合作的实地测试中，团队将新型辐射制冷涂层应用于本港建筑工地的货柜屋屋顶；经过两年半的户外测试后，货柜屋屋顶比一般混凝土屋顶温度降低高达摄氏24度。新型涂层耐用度亦极高，其太阳能反射率在测试期后只降低了不多于2%。团队预计，以新型涂层为该货柜屋降温，能有效降低空调冷负荷，每年可节省约10%空调系统耗电量。

研究团队亦分析了中国内地不同气候地区的年平均气温下降与降温耗电数据，发现太阳能辐射量愈高，新型涂层可达到的降温温差愈大，表现优于一般辐射制冷涂层，有助大幅减少建筑物能源消耗。以香港和内地10个城市，包括北京、杭州、广州、长沙、新强和田、沈阳、桂林、福州、重庆、兰州为例，使用新型涂层为建筑物降温，预计每平方米涂层可以为每一城市每年节省约97至136度电。

吕琳教授表示：「全球暖化和极端气候如热浪问题日益严峻，科学界致力探讨如何消耗最少能源为建筑物和城市降温。我们研发的新型涂层具备卓越降温表现，适用于各种气候的城市，有望加快新一代降温材料的发展。这种水溶性新型涂层更可制成多种颜色，以滚刷方式大幅涂抹于建筑物天台和外墙、路面、城市地表覆盖面等，既可达到降温目的，更兼具美化外观的效果，是未来实现可持续城市发展、缓解城市热岛效应的创新策略之一。」

另外，研究团队已获得理大碳中和科研基金的支持，将这种新型光致发光辐射制冷纳米涂层与双面太阳能光伏板结合，实现协同增强的热管理和发电，使建筑物由能源消耗者转变为能源收集者。研究团队计划在兴建中的理大九龙塘学生宿舍天台安装双面光伏板，并于光伏板之下的天台地面涂抹新型涂层，进一步提高太阳能反射到光伏板的比率，从而提高发电量，并为建筑物降温。

团队预期，新系统与没有涂层的单面太阳能光伏板相比，发电量提高30%至50% ，碳排放减少30%。新宿舍天台可安装双面太阳能光伏板的面积约600平方米，以此为例，预计可产生97,000千瓦小时电量，每年节省逾港币12万元电费。另外，团队亦正研究利用石蜡基开发一款动态自适性辐射制冷纳米涂层，能因应寒冷及炎热天气，维持适当的太阳能反射率，以达到冬天保暖夏天降温的效果。

这种水溶性新型涂层更可制成多种颜色，以滚刷方式大幅涂抹于建筑物天台和外墙、路面、城市地表覆盖面等，既可达到降温目的，更兼具美化外观的效果。