原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Li Y, Yin Y, Bai Y, et al. Engineering the optical properties of SrZrO₃ crystals via Zn doping for superior passive daytime radiative cooling. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(7): 9221107. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221107

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221107

ResearchGate：Engineering the optical properties of SrZrO3 crystals via Zn doping for superior passive daytime radiative cooling

1、导读

本研究采用溶胶-凝胶结合固相法制备Zn掺杂SrZrO₃晶体，通过实验与理论计算系统研究Zn掺杂对SrZrO₃引起的光学效应。结果表明：Zn掺杂通过改变晶粒形貌与电子结构，协同提升0.3-2.5 μm波段反射率；同时诱导晶格畸变，增强8-13 μm波段发射率。其中，优化组分SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75的太阳光谱反射率达0.892，大气透明窗口发射率达0.954。其涂层在654 W·m^-2辐照下实现15.3 ℃最大制冷温差及64.7 W·m^-2净辐射冷却功率，证明其具有优异的被动日间辐射冷却性能。

图1 文章图片摘要

2、研究背景

随着全球人口增长、经济发展以及工业化进程的加速，全球能源消耗持续攀升。对化石燃料的高度依赖正在加剧全球变暖。化石燃料燃烧释放出大量温室气体，如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮，严重破坏气候系统平衡，引发气温显著升高、极端天气频发、海平面上升以及城市热岛效应等严重后果。不断攀升的气温（和城市热岛效应）直接加剧了对制冷降温的需求。传统制冷系统作为满足该需求的主要方式之一，在众多能源消耗领域中消耗了全球约10%的电力。更值得关注的是，这些系统中的制冷剂泄漏具有极高的全球变暖潜势（GWP），进一步加剧了气候危机。

界面工程作为调控材料表面特性的重要手段，在提升热调控性能方面具有显著优势。其中，被动日间辐射冷却技术因无需外部能源驱动，成为替代传统高能耗制冷方式的有效选择。该技术通过反射大部分太阳辐射以降低物体和建筑吸热，同时利用大气透明窗口（8–13 μm波段）向外释放长波红外辐射，从而实现高效散热。被动日间辐射冷却技术已广泛应用于建筑围护结构、光伏组件、汽车散热、食品保鲜及电子器件冷却等领域，为降低能源消耗、缓解全球变暖提供了切实可行的绿色解决方案。

3、文章亮点

（1） 光学-形貌协同调控，显著提升太阳光反射率：通过Zn²⁺部分取代SrZrO₃中的Zr⁴⁺，有效提高材料在0.3–2.5 μm波段的折射率，并诱导晶体粉末由颗粒状转为片状结构，显著增强了太阳光反射能力。最优组分SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75在太阳光谱范围内的反射率可达0.892，优于未掺杂样品，为高效反射型辐射冷却材料提供了基于光学-形貌协同调控的新设计思路。

（2） 晶格无序调控增强大气窗口红外发射：Zn掺杂引起晶格畸变与对称性降低，调控了晶体的声子振动模式，有效提升了SrZrO₃在8–13 μm大气窗口波段的红外发射能力。该最优组分SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75在此波段的发射率高达0.954，为实现高效被动辐射冷却提供了关键的热辐射性能保障。

4、研究结果及结论

所有Zn改性SrZrO₃晶体均保持正交相钙钛矿结构，且由于Zn²⁺和Zr⁴⁺的离子半径差异，掺杂引起了晶格膨胀，掺杂量越大，晶格膨胀程度越大。由于Zn²⁺和Zr⁴⁺存在价态差异，掺杂在SrZrO₃晶格中引入了氧空位，且掺杂量越多，氧空位浓度越高。氧空位的引入破坏了晶格氧八面体的长程有序性。

图2 (a)XRD图谱，(b)30.2°-31°XRD图谱，(c)EPR图谱，(d)Raman图谱，(e)500-600 cm^-1Raman图谱

未掺杂的SrZrO₃晶体其晶粒形貌呈不规则颗粒状，晶粒间无明显团聚。而随着Zn掺杂量的增加，晶粒形貌逐渐由不规则颗粒状演变为棒状，并进一步发展为片状，同时颗粒尺寸随掺杂量逐渐增大。

图3 Zn掺杂SrZrO₃粉末SEM图及粉末尺寸统计分布图

掺杂Zn离子后，晶体的能带结构仍为直接带隙，带隙值随掺杂量增加线性减小。然而，所有样品的带隙值均大于5.5 eV，其对应的吸收边波长越为226 nm。

图4 SrZrO₃及Zn改性SrZrO₃晶体带隙

随着Zn掺杂量的增加，晶体的反射率曲线整体呈升高趋势，表明Zn掺杂有效提升了SrZrO₃晶体的太阳光反射率。同时，晶体在8-13 μm波段的发射率也随掺杂量增大，说明Zn掺杂成功增强了其红外辐射性能。

图5 SrZrO₃及Zn改性SrZrO₃晶体(a)在0.3-2.5 μm波段的反射率和(b)在8-13 μm波段的发射率

Zn改性提升SrZrO₃晶体在0.3-2.5 μm波段反射率，其机制主要在于掺杂引起的带隙减小导致了晶格折射率增大。但是，Zn掺杂对晶体在此波段的消光系数没有显著提升作用。

图6 Zn离子掺杂SrZrO₃晶体在0.3-2.5 μm波段的折射率（n）和消光系数（k）

掺杂Zn后，晶粒与相邻晶粒相互粘结，形成棒状和片状晶粒。这两种形貌均有助于减少晶界数量和光散射界面，缩短光在材料内部的传播路径（光程），降低吸收损失，并增强整体的光反射能力，从而提升材料在0.3–2.5 μm波段的光谱反射率。

图7 材料微观颗粒形状对光反射的影响

基于Zn改性SrZrO₃晶体的辐射冷却涂层，较基于未改性SrZrO₃晶体的涂层，具有更优异的被动日间辐射冷却性能。

图8 (a)SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层的被动日间辐射制冷性能曲线；(b)裸铝板所覆盖区域温度与测试盒内温度温差曲线，以及SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层样品所覆盖区域温度与测试盒内温度温差曲线；被动式日间辐射制冷性能测试期间空气的(c)大气环境温度和(d)瞬时风速

耐候性实验结果显示，基于SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75晶体的涂层在长期户外环境暴露后，其疏水性能出现降低。

图9 （a-j） SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层在21天户外曝光实验中的实时照片。（k-l） SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层在室外暴露前后的水接触角。

经过21天户外老化后，SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层的被动日间辐射冷却性能未发生显著衰减。

图10 (a) 未经暴露和经过户外暴露的SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层的被动日间辐射冷却性能曲线；(b)未经暴露和经过户外暴露的SrZr_0.75Zn_0.25O_2.75涂层的所覆盖区间与环境之间的温差曲线；被动式日间辐射制冷性能测试期间空气的大气环境温度(c)和瞬时风速(d)

5、作者及研究团队简介

马文（通讯作者），教授，博士生导师，2006年毕业于北京航空航天大学材料学专业，获工学博士学位。2006-2007年于德国于利希研究中心从事博士后研究工作。现任内蒙古自治区新材料与表面工程重点实验室主任。获得教育部新世纪优秀人才、草原英才、内蒙古自治区突出贡献专家、内蒙古自治区高校优秀青年科技领军人才、内蒙古自治区优秀科技工作者等荣誉称号。担任全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会副主任委员，中国表面工程协会第七届理事会理事，中国稀土学会第七届铸造合金专业委员会副主任委员等。主要从事稀土陶瓷热障涂层材料的研发，以及新型涂层制备技术的开发及推广应用。近年来作为项目负责人主持了国家自然科学基金4项、内蒙古科技重大专项、省部级科研项目多项。相关研究成果发表论文100余篇，其中被SCI收录70余篇。申报国家发明专利39件，其中授权23件。获得2016年内蒙古自然科学一等奖。

尹轶川（通讯作者），博士，毕业于南京理工大学，现任内蒙古工业大学材料科学与工程学院讲师。

李扬扬（第一作者），博士，毕业于内蒙古工业大学材料科学与工程学院，现就职于内蒙古科学技术研究院。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Liu L, Dong H, Zhang P, et al. Design and experimental investigation of potential low-thermal-conductivity high-entropy rare-earth zirconates. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(8): 1132-1142.  https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220923

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508