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華南理工大學(xué)孫大文院士課題組 CEJ:納米復(fù)合水凝膠通過日間輻射/蒸發(fā)協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)日間被動式制冷
2023-01-03  來源:高分子科技

  如今,空調(diào)和冷鏈系統(tǒng)主要是基于機(jī)械蒸汽壓縮制冷,已為人類的生活環(huán)境和食品保鮮帶來了近一個世紀(jì)的好處。然而,這些主動制冷技術(shù)需要消耗大量電力,并使用非環(huán)保制冷劑,導(dǎo)致了一系列的環(huán)境問題,如全球變暖,城市熱島和臭氧空洞。因此,隨著環(huán)境的惡化和人們環(huán)保意識的增強(qiáng),尋找一種更加節(jié)能環(huán)保的制冷技術(shù)變得尤為迫切。


1. 具有日間輻射/蒸發(fā)效應(yīng)的納米復(fù)合水凝膠在建筑冷卻和冷凍食品短途運(yùn)輸?shù)臐撛趹?yīng)用。


  近期,華南理工大學(xué)現(xiàn)代食品工程研究中心孫大文院士團(tuán)隊采用天然深共晶溶劑制備了納米顆粒聚丙烯酰胺/聚乙烯醇水凝膠(NPs/NADES@PAAm/PVA)。無水型的NPs/NADES@PAAm/PVA由于其太陽反射率可達(dá)~0.95大氣發(fā)射率可達(dá)~0.92能夠實現(xiàn)日間輻射制冷(圖2。吸水后,溶脹型NPs/NADES@PAAm/PVA和吸濕NPs/NADES@PAAm/PVA均可同時實現(xiàn)日間輻射制冷和蒸發(fā)制冷。此外,無水型和溶脹型的NPs/NADES@PAAm/PVA具有良好的機(jī)械特性、柔韌性和親水(圖3。室外現(xiàn)場實驗結(jié)果表明(圖4,無水型NPs/NADES@PAAm/PVA、溶脹型NPs/NADES@PAAm/PVA和吸濕NPs/NADES@PAAm/PVA高強(qiáng)度的太陽輻射下相比~35.0℃環(huán)境溫度可實現(xiàn)的平均降溫分別為~2.9℃、~6.2℃~3.6℃,說明無水型NPs/NADES@PAAm/PVA在日間實現(xiàn)低于環(huán)境溫度,而溶脹型和吸濕NPs/NADES@PAAm/PVA由日間輻射/蒸發(fā)協(xié)同作用而具有更好的降溫性能。另一項室外現(xiàn)場實驗結(jié)果表明(圖5NPs/NADES@PAAm/PVA建筑降溫和冷凍食品短途運(yùn)輸方面具有一定的應(yīng)用潛力。本研究期望能夠進(jìn)一步推動被動制冷技術(shù)的發(fā)展。該工作以“Nanocomposite Hydrogel for Daytime Passive Cooling Enabled by Combined Effects of Radiative and Evaporative Cooling”為題,發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上(DOI10.1016/j.cej.2022.141231),文章第一作者為華南理工大學(xué)博士生徐亮,通訊作者為孫大文院士。



2. (a) 輻射/蒸發(fā)制冷水凝膠的太陽輻射反射光譜和大氣窗口發(fā)射光譜,及其 (b) 太陽輻射透射光譜和 (c) 理論輻射制冷功率。圖2. (a) 不同厚度(1 - 4 mm)的無水型NPs/NADES@PAAm/PVA的反射率和發(fā)射率光譜和 (b) 相應(yīng)的太陽反射率 (Rsol) 和大氣窗口的輻射率 (εaw)。(c)不同厚度的輻射功率(Prad)、大氣輻射吸收功率(Patm)、太陽輻射吸收功率(Psol)和凈輻射制冷功率(PR)。



3. (a) 無水型和溶脹型NPs/NADES@PAAm/PVA的圖片,包括折疊和扭轉(zhuǎn)。(b) 彎曲冷卻應(yīng)用,包括個人熱管理的可穿戴設(shè)備或生物制劑運(yùn)輸?shù)陌b。(c) 無水型(d) 溶脹型水凝膠的力學(xué)特性。(e) 無水型NPs/NADES@PAAm/PVA頂部和截面的SEM圖像及其對應(yīng)的元素FZr能譜圖。(f)聚合過程中納米顆粒NPs/NADES@PAAm/PVA橫截面視圖中的分布示意圖。



4. (a) 無水型、溶脹型和吸濕型NPs/NADES@PAAm/PVA的制冷功率測量設(shè)備示意圖。(b)太陽輻射強(qiáng)度~720 W m-2和相對濕度為~30%條件下的實驗實景圖。 (c) 不同處理的銅片表面溫度變化 (加熱器關(guān)閉)(d) 不同處理的銅片表面溫度變化 (加熱器開啟)。(e) 無水型、溶脹型和吸濕型NPs/NADES@PAAm/PVA的平均蒸發(fā)制冷功率、日間輻射制冷功率和總制冷功率。

5. (a) 房屋冷卻性能測量的實驗設(shè)備示意圖。(b) 不同處理房屋模型的溫度變化。(c) 冰或冰凍食品冷卻性能測量的實驗設(shè)備示意圖。(d) 不同處理冰的溫度變化。(e) 不同處理冰在太陽輻射下的照片 (f) 及其相應(yīng)的的質(zhì)量損失。(g) 不同處理冰凍食品在太陽輻射下的照片。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141231


作者簡介:

  孫大文(Da-Wen Sun)教授,中國致公黨中央委員,中國僑聯(lián)特聘專家,國務(wù)院僑務(wù)辦公室專家咨詢委員會委員。歐洲科學(xué)院(歐洲人文和自然科學(xué)院)院士,愛爾蘭皇家科學(xué)院院士,波蘭科學(xué)院院士,國際食品科學(xué)院院士,國際農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程科學(xué)院院士,國際制冷科學(xué)院院士。國際著名期刊《Food and Bioprocess Technology》(Q1)創(chuàng)刊者和主編。


  榮獲國際農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程委員會(CIGR)杰出獎,英國皇家機(jī)械工程師學(xué)會“食品工程師年度人物”,鳳凰衛(wèi)視“影響世界華人大獎”,國際食品保護(hù)協(xié)會“冷凍食品基金會冷凍研究獎”,國際工程與食品協(xié)會終身成就獎,“CIGR榮譽(yù)主席”等多項國際大獎, 2015年至2022年連續(xù)六年榮獲科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”稱號。


  在世界著名雜志和國際會議上發(fā)表了1000篇論文,出版專著17部,共有600多篇論文被SCI收錄(Web of Science統(tǒng)計的學(xué)術(shù)h指數(shù)為104,SCOPUS統(tǒng)計的學(xué)術(shù)h指數(shù)為108,Google Scholar 統(tǒng)計的學(xué)術(shù)h指數(shù)為122)。71篇論文入選ESI農(nóng)學(xué)“高被引論文”,全球排名第一位(2020.01)。


  2011年底起回到華南理工大學(xué)工作以來,迄今為止(2020年11月)在Web of Science網(wǎng)站上可以檢索到的文章中,共有209篇是以華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院作為第一作者單位的論文,其中高被引論文42篇,JCR一區(qū)論文157篇,影響因子大于6的65篇。高被引論文數(shù)占華南理工大學(xué)全校和食品科學(xué)與工程學(xué)院的比例分別為14%和45%。其中2篇入選中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文,為華南理工大學(xué)唯一入選的兩篇論文。


  授權(quán)中國發(fā)明專利63件,美英日等發(fā)明專利10件,申請國際PCT專利9項。2019年至2020年連續(xù)兩年每年培養(yǎng)科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”2人。榮獲2014年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎一等獎(排名第二),2016年度教育部科技進(jìn)步獎二等獎(排名第一),2018年度中國輕工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎(排名第二),2018年度廣東省科技進(jìn)步獎一等獎(排名第一),2020年度安徽省科技進(jìn)步獎二等獎(排名第三)。

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