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南京林業(yè)大學付宇團隊和哥廷根大學張凱教授團隊 Nano Energy：一種具有仿生超結(jié)構(gòu)表面的納米纖維素氣凝膠用于長效輻射制冷
2023-06-25  來源：高分子科技

  傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)通常會消耗大量的能量并排放二氧化碳溫室氣體，對地球環(huán)境和人類生存造成較大的負擔。輻射制冷是一種被動制冷方式，其主要是利用地球與外太空之間的大氣透明窗口（波長8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空。木質(zhì)纖維素由于其獨特的化學結(jié)構(gòu)，在日間輻射制冷領域受到了一定的關注。但是，傳統(tǒng)的纖維素基日間輻射制冷材料存在太陽光反射率不高和戶外長時間使用性差等問題，限制了其進一步的發(fā)展。


  在前期的研究基礎上（Nano Lett. 2022, 22, 10, 4106–4114），本工作通過向大自然學習，采用仿生構(gòu)建的思路，以納米纖維素晶為原料，發(fā)展了二元“限域”定向冷凍干燥新技術以構(gòu)建一種具有表面超結(jié)構(gòu)的輻射制冷氣凝膠材料，優(yōu)化了其太陽光反射率、熱導率、紅外發(fā)射率以及環(huán)境穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)長效穩(wěn)定的日間輻射制冷功效。構(gòu)建這種仿生超結(jié)構(gòu)輻射制冷納米纖維素氣凝膠制冷材料基于以下3個要點：（1）通過采用銅網(wǎng)集成銅板發(fā)展二元冷凍的新方法實現(xiàn)對氣凝膠表面的精細圖案化,實現(xiàn)材料高且寬波段的太陽光散射能力，計算可達到97.4%的反射率；（2）采用氣凝膠設計策略實現(xiàn)超低的導熱系數(shù)，從而降低太陽光照射下的寄生熱；（3）氣凝膠表面多維度微納結(jié)構(gòu)和交聯(lián)形成的化學鍵賦予材料優(yōu)異的紅外發(fā)射率、超疏水和抗紫外特性，實現(xiàn)戶外長時間適用的效果。 


圖1 仿生設計思路和制備過程


  目前可以實現(xiàn)實驗室18 cm × 18 cm大幅面輻射制冷氣凝膠的制備，由于分子層面和微納尺度層面的協(xié)同效應，該氣凝膠展現(xiàn)出97.4%的太陽光反射率和約0.93的紅外發(fā)射率，可以實現(xiàn)高效日間降溫效果。進一步，氣凝膠表面的超結(jié)構(gòu)賦予了其超疏水和自清潔特性（接觸角可達156°），使得其在戶外長時間使用提供了可能。并且由于獨特的Si-O-C化學鍵、均勻分散的SiO2納米粒子以及二元多級表面結(jié)構(gòu)賦予材料優(yōu)異的紫外反射性能，氣凝膠制冷器在高功率紫外燈照射下微觀結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，光學測試表明基于6個月紫外暴露后的材料依舊保持較高的太陽光反射率，進而實現(xiàn)約9.4℃的降溫效果。熱能模擬計算表明在世界18個地區(qū)采用該氣凝膠鋪設房屋屋頂，可以實現(xiàn)全年制冷節(jié)能約47%的效果。該工作為制備高性能長效使用的綠色降溫材料提供了一種可行的思路。 


圖2 仿生氣凝膠的長效輻射制冷效果與機制


  該成果發(fā)表于國際著名期刊Nano Energy上，南京林業(yè)大學材料科學與工程學院青年教師蔡晨陽為第一作者，材料科學與工程學院付宇教授和德國哥廷根大學張凱教授為通訊作者，南京林業(yè)大學為第一完成單位。該成果得到了國家自然科學基金項目（31770608）、江蘇省特聘教授項目（Sujiaoshi [2016]20），德國科學基金和南京林業(yè)大學科研啟動基金（163020337）的資助，感謝審稿人和編輯寶貴的建議。


  原文鏈接：

  Bioinspired “aerogel grating” with metasurfaces for durable daytime radiative cooling for year-round energy savings

  Chenyang Cai , Wenbo Chen , Zechang Wei , Chunxiang Ding , Bianjing Sun , Christoph Gerhard , Yu Fu , Kai Zhang 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523004627

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（責任編輯：xu）
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