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南京林業(yè)大學(xué)付宇團(tuán)隊(duì)和哥廷根大學(xué)張凱教授團(tuán)隊(duì) 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(zhǎng)效輻射制冷
2023-06-25  來(lái)源：高分子科技

  傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)通常會(huì)消耗大量的能量并排放二氧化碳溫室氣體，對(duì)地球環(huán)境和人類生存造成較大的負(fù)擔(dān)。輻射制冷是一種被動(dòng)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(zhǎng)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(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在日間輻射制冷領(lǐng)域受到了一定的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的纖維素基日間輻射制冷材料存在太陽(yáng)光反射率不高和戶外長(zhǎng)時(shí)間使用性差等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。


  在前期的研究基礎(chǔ)上（Nano Lett. 2022, 22, 10, 4106–4114），本工作通過(guò)向大自然學(xué)習(xí)，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(shù)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(yáng)光反射率、熱導(dǎo)率、紅外發(fā)射率以及環(huán)境穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(gè)要點(diǎn)：（1）通過(guò)采用銅網(wǎng)集成銅板發(fā)展二元冷凍的新方法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣凝膠表面的精細(xì)圖案化,實(shí)現(xiàn)材料高且寬波段的太陽(yáng)光散射能力，計(jì)算可達(dá)到97.4%的反射率；（2）采用氣凝膠設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)超低的導(dǎo)熱系數(shù)，從而降低太陽(yáng)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(xué)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(shí)現(xiàn)戶外長(zhǎng)時(shí)間適用的效果。 


圖1 仿生設(shè)計(jì)思路和制備過(guò)程


  目前可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)，該氣凝膠展現(xiàn)出97.4%的太陽(yáng)光反射率和約0.93的紅外發(fā)射率，可以實(shí)現(xiàn)高效日間降溫效果。進(jìn)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(dá)156°），使得其在戶外長(zhǎng)時(shí)間使用提供了可能。并且由于獨(dú)特的Si-O-C化學(xué)鍵、均勻分散的SiO2納米粒子以及二元多級(jí)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(xué)測(cè)試表明基于6個(gè)月紫外暴露后的材料依舊保持較高的太陽(yáng)光反射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)約9.4℃的降溫效果。熱能模擬計(jì)算表明在世界18個(gè)地區(qū)采用該氣凝膠鋪設(shè)房屋屋頂，可以實(shí)現(xiàn)全年制冷節(jié)能約47%的效果。該工作為制備高性能長(zhǎng)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(zhǎng)效輻射制冷效果與機(jī)制


  該成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊Nano Energy上，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師蔡晨陽(yáng)為第一作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院付宇教授和德國(guó)哥廷根大學(xué)張凱教授為通訊作者，南京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31770608）、江蘇省特聘教授項(xiàng)目（Sujiaoshi [2016]20），德國(guó)科學(xué)基金和南京林業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)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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