顆粒在線訊：傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)通常會消耗大量的能量并排放大量的二氧化碳溫室氣體，對地球環(huán)境和人類生存造成較大的負擔(dān)。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。夜間的輻射制冷現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛的觀察到，如清晨露水的產(chǎn)生。然而，輻射制冷現(xiàn)象在白天很少出現(xiàn)，這是因為太陽光會極大地對物體進行加熱，從而升高物體表面溫度，特別是濕熱地區(qū)。近年來，隨著光子學(xué)的發(fā)展，科研人員通過構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)、聚合物超材料、多孔材料等光子結(jié)構(gòu)，使材料反射大量太陽光，且在大氣窗口波段有著很強的紅外發(fā)射率，從而使日間輻射制冷技術(shù)得以實現(xiàn)。但是，不同的地區(qū)存在不同的氣候（如高濕度、高溫度、多云地區(qū)等），這些都會對輻射制冷造成很大的影響。除此之外，目前大多數(shù)報道的制冷材料來源都不可再生。因此，設(shè)計“綠色可持續(xù)”性能可調(diào)的日間輻射制冷材料從而滿足不同天氣環(huán)境的要求仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在炎熱潮濕的地區(qū)。

本研究基于雙功能氣凝膠設(shè)計策略（集成輻射制冷和熱絕緣一體），通過原位化學(xué)交聯(lián)并輔助冰模板法構(gòu)建綠色可再生的動態(tài)可調(diào)的纖維素納米晶輻射制冷氣凝膠材料。由于具備多層次的微納結(jié)構(gòu)和分子水平上可設(shè)計的化學(xué)鍵，這種制冷氣凝膠表現(xiàn)出較高的太陽光反射率（96%）、紅外發(fā)射率（92%）和超低的熱傳導(dǎo)系數(shù)（0.026 W/mK）。它可以實現(xiàn)在太陽直射下降溫～9.3°C，即使在炎熱、潮濕（相對濕度～70%）和多變的天氣下也可以達到7.4°C降溫效果。并且可以通過改變氣凝膠的壓縮應(yīng)變從而實現(xiàn)對降溫性能的可控調(diào)節(jié)。模擬計算表明如果在全國采用屋頂和墻壁鋪設(shè)該制冷氣凝膠，與傳統(tǒng)的建筑相比，平均可節(jié)省35.4%的制冷能源。該策略為構(gòu)建高性能輻射制冷材料從而減少全球變暖和能源消耗具有重要意義。具體來說，構(gòu)建這種雙功能動態(tài)可調(diào)的納米纖維素氣凝膠制冷材料基于以下四個要點：（1）通過對納米纖維素進行分子設(shè)計，構(gòu)建具有較強紅外輻射的化學(xué)鍵（Si-O-C, C-O-C和Si-O-Si）,實現(xiàn)材料較強的紅外輻射能力；（2）采用氣凝膠設(shè)計策略實現(xiàn)超低的導(dǎo)熱系數(shù)，從而降低太陽光照射下的寄生熱；（3）非定向冷凍干燥策略賦予材料動態(tài)可壓縮性，實現(xiàn)輻射制冷的可控調(diào)節(jié)；（4）氣凝膠表面多維度微納結(jié)構(gòu)提高太陽光散射能力和提升材料抗?jié)穸忍匦裕瑢崿F(xiàn)能在多種干濕熱環(huán)境下的實際應(yīng)用。

通過硅基偶聯(lián)劑交聯(lián)纖維素納米晶（NCC）輔助冰模板實現(xiàn)對氣凝膠形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。通過固體核磁和紅外證實NCC表面的羥基和硅基偶聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的Si-O-C化學(xué)鍵（圖1G/H）。此外，部分水解的硅基偶聯(lián)劑形成均一的SiO2納米顆粒，均勻的鉚釘在纖維素氣凝膠的骨架上（圖1D）。這種協(xié)同的化學(xué)鍵和SiO2納米顆粒共同提升NCC氣凝膠的紅外發(fā)射率。并且通過冰模板方法，可以實現(xiàn)對NCC氣凝膠的較大規(guī)模的制備（圖1A/C）。SEM分析其表面呈現(xiàn)多維度的微納結(jié)構(gòu)，賦予材料較強的太陽光散射能力，從而提高其反射率（圖1E）。

圖1制冷氣凝膠的結(jié)構(gòu)和特性：（A）制冷氣凝膠的制備工藝（B）超輕性質(zhì)（C）潛在的大規(guī)模生產(chǎn)（D）制冷氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（E）制冷氣凝膠的表面形態(tài)（F）制冷氣凝膠的元素分布（G）制冷氣凝膠的固態(tài)核磁共振譜（H）制冷氣凝膠的FTIR曲線（I）制冷氣凝膠TGA曲線

由于分子設(shè)計，氣凝膠中存在的高紅外輻射的化學(xué)鍵（Si-O-C, C-O-C和Si-O-Si）,相比于純納米纖維素，其紅外發(fā)射率達到92%，并且其理論輻射制冷功率得到極大的提升（圖2A）。通過理論計算和實際測試，最終輻射制冷氣凝膠的平均制冷功率可以達到~78 W/m2。為了驗證其實際的氣候適應(yīng)性，選擇不同的風(fēng)速（3、4、6 m/s），相對濕度（從30%到55%到70%，）和多云天氣進行材料的制冷性能測試。可以看到，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s，相對濕度為30%，輻射制冷氣凝膠可以實現(xiàn)～9.5 ±3.05°C的降溫效果。當(dāng)風(fēng)速為4 m/s，相對濕度為55%，輻射制冷氣凝膠可以實現(xiàn)8.3±1.59°C的降溫效果。值得注意的是，在相對濕度高達70%，天氣變化劇烈（晴朗?多云?晴朗?多云）的情況下輻射制冷氣凝膠依舊可以實現(xiàn)～7.4±2.36°C的制冷效果。這種在各種氣候下優(yōu)異的制冷效果主要來自于高太陽光反射率、高紅外輻射率、低導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的抗?jié)穸饶芰Γ▓D2D/E/F）。

圖2全天候輻射冷卻性能：（A）輻射制冷氣凝膠制冷機理（B）理論制冷功率（白天）。（C）理論制冷功率（夜間）（D）風(fēng)速為6 m/s、相對濕度為30%時氣凝膠的制冷性能。（E）風(fēng)速為4 m/s、相對濕度為55%時氣凝膠制冷性能（F）風(fēng)速為3 m/s、相對濕度為70%時氣凝膠氣凝膠的制冷性能。

由于冰模板的作用，氣凝膠內(nèi)部定向多維度孔道結(jié)構(gòu)賦予其可壓縮性，可以實現(xiàn)不同應(yīng)變下的壓縮可逆回復(fù)和多次壓縮循環(huán)（圖3A/C/D）?；谝陨辖Y(jié)果，測試輻射制冷氣凝膠的機械自適應(yīng)冷卻性能。在不同的壓縮應(yīng)變（30%增加到60%到90%），可以看到氣凝膠冷卻器表現(xiàn)出梯度下降的制冷效果。測試不同應(yīng)變下的太陽光反射率和紅外輻射率，發(fā)現(xiàn)不同壓縮應(yīng)變下的輻射制冷氣凝膠反射率和紅外輻射率沒有發(fā)生顯著變化。因此制冷性能的不同應(yīng)歸因與隨著壓縮應(yīng)變的增加，的氣凝膠熱導(dǎo)率逐步增大。在壓縮情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的間隙變小導(dǎo)致密實化，從而導(dǎo)熱系數(shù)從0.029 W/mK升高到0.038 W/mK再升高到0.056 W/mK。因此，通過簡單地改變壓縮率，基于輻射制冷氣凝膠冷展現(xiàn)出的可調(diào)的制冷性能可以為滿足不同的冷卻需求提供了巨大的潛力，特別是不同地區(qū)和不同天氣條件下的需求（圖3E/F/G）。

圖3氣凝膠的可調(diào)制冷性能：（A）氣凝膠冷卻器壓縮回彈的演示和機理（B）氣凝膠的DMA曲線（C）氣凝膠在不同應(yīng)變下的壓縮回彈曲線（D）氣凝膠在30%應(yīng)變下100次壓縮循環(huán)曲線（E）氣凝膠不同壓縮應(yīng)變下的制冷性能（F）氣凝膠不同壓縮應(yīng)變下的反射率（G）氣凝膠不同壓縮應(yīng)變下的導(dǎo)熱系數(shù)

可以通過將氣凝膠組裝成不同尺寸和幾何形狀的大面積塊體結(jié)構(gòu)以滿足應(yīng)用過程中的各種需求。通過計算模擬出將制冷氣凝膠鋪設(shè)在屋頂和墻壁所節(jié)約的制冷能耗。我們選擇了全中國較為代表性的23個城市進行模擬，可以看到，當(dāng)氣凝膠鋪設(shè)在?？冢?.89 kW/m2）、臺北（5.61 kW/m2）、長沙（4.96 kW/m2），武漢（4.91 kW/m2）和南昌（4.89 kW/m2）可以實現(xiàn)較高的制冷功率。根據(jù)這些結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)制備的氣凝膠冷卻器具有明顯的節(jié)能效果。通過計算，與傳統(tǒng)建筑相比，這種雙功能的制冷氣凝膠可節(jié)省全中國35.4%的平均制冷能源消耗。因此，只需要約1厘米厚的這種材料覆蓋屋頂或墻壁可以很容易地實現(xiàn)對屋內(nèi)溫度的可控調(diào)節(jié)，從而降低能源消耗(圖4D/E)。

圖4 模擬輻射制冷氣凝膠覆蓋建筑物墻體和屋頂?shù)墓?jié)能效果：（A）氣凝膠的隔熱機理（B）采用紅外相機觀察輻射制冷氣凝膠在太陽下的表面溫度（C）中國23個城市的制冷節(jié)能總量（D）全中國一年的總制冷節(jié)能率和功率（E）預(yù)測全中國建筑物的節(jié)約制冷功率圖

該成果發(fā)表于國際著名期刊Nano Letters上。論文的第一作者為南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和德國哥廷根大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生蔡晨陽，通訊作者為付宇教授和張凱教授。

以上工作得到國家自然科學(xué)基金，江蘇省特聘教授基金，德國科學(xué)基金以及江蘇省政府留學(xué)基金的支持。感謝審稿人和編輯寶貴的建議。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00844