南京林业大学付宇团队和哥廷根大学张凯教授团队 Nano Energy：一种具有仿生超结构表面的纳米纤维素气凝胶用于长效辐射制冷

2023-06-25 来源：高分子科技

传统的制冷系统通常会消耗大量的能量并排放二氧化碳温室气体，对地球环境和人类生存造成较大的负担。辐射制冷是一种被动制冷方式，其主要是利用地球与外太空之间的大气透明窗口（波长8–13 μm），将地球表面的热量以热辐射的形式发射到外太空。木质纤维素由于其独特的化学结构，在日间辐射制冷领域受到了一定的关注。但是，传统的纤维素基日间辐射制冷材料存在太阳光反射率不高和户外长时间使用性差等问题，限制了其进一步的发展。

在前期的研究基础上（Nano Lett. 2022, 22, 10, 4106–4114），本工作通过向大自然学习，采用仿生构建的思路，以纳米纤维素晶为原料，发展了二元“限域”定向冷冻干燥新技术以构建一种具有表面超结构的辐射制冷气凝胶材料，优化了其太阳光反射率、热导率、红外发射率以及环境稳定性，最终实现长效稳定的日间辐射制冷功效。构建这种仿生超结构辐射制冷纳米纤维素气凝胶制冷材料基于以下3个要点：（1）通过采用铜网集成铜板发展二元冷冻的新方法实现对气凝胶表面的精细图案化,实现材料高且宽波段的太阳光散射能力，计算可达到97.4%的反射率；（2）采用气凝胶设计策略实现超低的导热系数，从而降低太阳光照射下的寄生热；（3）气凝胶表面多维度微纳结构和交联形成的化学键赋予材料优异的红外发射率、超疏水和抗紫外特性，实现户外长时间适用的效果。

图1 仿生设计思路和制备过程

目前可以实现实验室18 cm × 18 cm大幅面辐射制冷气凝胶的制备，由于分子层面和微纳尺度层面的协同效应，该气凝胶展现出97.4%的太阳光反射率和约0.93的红外发射率，可以实现高效日间降温效果。进一步，气凝胶表面的超结构赋予了其超疏水和自清洁特性（接触角可达156°），使得其在户外长时间使用提供了可能。并且由于独特的Si-O-C化学键、均匀分散的SiO₂纳米粒子以及二元多级表面结构赋予材料优异的紫外反射性能，气凝胶制冷器在高功率紫外灯照射下微观结构并没有发生改变，光学测试表明基于6个月紫外暴露后的材料依旧保持较高的太阳光反射率，进而实现约9.4℃的降温效果。热能模拟计算表明在世界18个地区采用该气凝胶铺设房屋屋顶，可以实现全年制冷节能约47%的效果。该工作为制备高性能长效使用的绿色降温材料提供了一种可行的思路。

图2 仿生气凝胶的长效辐射制冷效果与机制

该成果发表于国际著名期刊Nano Energy上，南京林业大学材料科学与工程学院青年教师蔡晨阳为第一作者，材料科学与工程学院付宇教授和德国哥廷根大学张凯教授为通讯作者，南京林业大学为第一完成单位。该成果得到了国家自然科学基金项目（31770608）、江苏省特聘教授项目（Sujiaoshi [2016]20），德国科学基金和南京林业大学科研启动基金（163020337）的资助，感谢审稿人和编辑宝贵的建议。

原文链接：

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

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻