原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202409473
电力设备在为社会提供电力的同时会产生大量热量，传统冷却方法（如空调）耗费大量能源，尤其在数据中心等高负荷场景下。为减少能耗，开发低能耗、可持续的冷却技术显得尤为迫切。文献提到，基于大气水收集的被动蒸发冷却和被动日间辐射冷却（PDRC）技术具有潜力，但各自存在局限性。前者大多用于室内，且材料易吸收太阳能，反而增加热量，而PDRC冷却功率不足以处理发热设备。因此，迫切需要一种结合多种冷却机制的新型材料以实现高效散热。
本文提出了一种基于金属有机框架（MOF）的混合被动冷却复合材料（HPCC），旨在同时实现辐射冷却和吸附蒸发冷却。研究者通过设计结构优化的MOF来增强材料的太阳反射率和水蒸气吸附能力，以期在户外设备（如变压器）上应用此材料，提升散热效率。
研究首先介绍了混合被动冷却复合材料（HPCC）的设计原理和结构特点。图 1展示了HPCC的冷却原理及应用场景。HPCC结合了辐射冷却和吸附蒸发冷却两种机制，利用金属有机框架（MOF）材料的微孔和中孔结构，在白天高效反射太阳光，夜间通过吸附大气中的水分进行蒸发冷却。图1b展示了HPCC的多层多孔结构，纤维中的宏观孔隙减少了水蒸气传输阻力，增强了吸附速率。图1c通过对比表明，HPCC在各方面的性能（如亚环境冷却能力、散热能力、冷却能力、颜色潜力和耐候性）优于目前表现最好的辐射冷却材料和水凝胶。
图 1. 混合被动冷却复合材料（HPCC）的设计。a）HPCC的冷却原理和应用场景。冷却功率的单位为瓦特每平方米（W m −2）。b）HPCC的结构。比例尺，5 µm。c）HPCC与其他优秀被动冷却材料的全面比较。
2.2 结构和光学性能
在图 2中，研究进一步探讨了MOF-801(Zr)的结构和光学性质。图2a展示了MOF-801(Zr)的分子结构，它是一种基于Zr的微孔MOF，具有高热稳定性和可控制的形态。图2c通过模拟显示，尺寸为200nm的小型MOF粒子在太阳光谱中具有更强的散射效果，从而提高了反射率。图2d和2e展示了通过搅拌合成方法优化后，MOF-801(Zr)的粒径分布更为均匀，尺寸在150至250nm之间。这些改进使得复合材料的太阳光反射性能显著提高，如图2g所示，改进后的MOF/聚氨酯复合薄膜的太阳光反射率达到了0.95，高于传统MOF的0.86。
图2. 光学优化的 MOF-801(Zr) 的光学特性。a) MOF-801(Zr) 的结构表示。b) 光学优化的 MOF-801(Zr) 的 SEM 图像。c) 不同尺寸的 MOF-801(Zr) 在太阳光谱区域内的散射效率。d) MOF 溶剂热合成中无搅拌和有搅拌的 MOF 晶体生长过程示意图，以及通过相应方法获得的 MOF 的粒度分布。f) 450 nm 光穿过厚度为 10 µm 的随机分散的 MOF-801(Zr)/聚合物复合材料时的电场分布。上图为光学优化的 MOF，下图为传统 MOF，两者的 MOF 填充量均为 50 wt%。g) 光学优化的 MOF 薄膜和传统 MOF 薄膜在处理后的 AM1.5 太阳光谱下的光谱反射率。两层薄膜的厚度均为 400 µm。
图 3的结果显示，HPCC的上层和下层具有良好的结构和光学性能。图3a和图3b通过扫描电子显微镜图像观察到上层和下层的多孔结构，有助于提升太阳光散射和水蒸气吸附性能。图3c展示了HPCC的X射线衍射谱图，结果证明MOF的晶体结构在复合材料中得到了良好保留，确保了材料的功能性。图3d展示了HPCC的光谱反射率和发射率。光学测试显示，HPCC的平均太阳反射率高达0.98，发射率为0.96，具备优异的辐射冷却能力。图3e展示了HPCC下层的MIL-101(Cr)和MOFs的氮气吸附等温线。吸附性能测试表明，HPCC下层的MIL-101(Cr)保持了较高的比表面积和孔容积，确保了高效的水蒸气吸附能力。
图3. HPCC 和 MOF 的结构和光学特性。a) HPCC 上层和 b) HPCC 下层的 SEM 图像。c) HPCC（上层和下层）和 MOF 的 X 射线衍射光谱。d) HPCC 的光谱反射率和发射率（反射率 = 1 - 发射率）与处理后的 AM1.5 太阳光谱和大气透射光谱的对比。e) HPCC 和 MOF 下层的氮吸附同位素。
2.3 基于吸附的蒸发冷却性能
图4中详细展示了HPCC的吸附和蒸发冷却性能。图4a显示了MOF的水蒸气吸附等温线，MOF-801(Zr)因其微孔结构在较低湿度下即可饱和吸附水分，而MIL-101(Cr)则在高湿度下表现出毛细凝聚，能够吸附更多水分。通过实验，研究表明HPCC可以在夜间吸附大气中的水分，白天通过蒸发释放冷却功率。图4d显示，HPCC在25°C和80%相对湿度条件下对400 W/m²热源的温度抑制效果显著，能够维持600分钟内的稳定冷却效果。此外，图4f通过实验和计算，展示了HPCC在不同加热功率下的散热能力，其中蒸发冷却功率占主导地位，特别是在高加热功率（1000 W/m²）下。
图4. HPCC 和 MOF 基于吸附的蒸发冷却特性。a) MOF 的水蒸气吸附等压线。b) 在不同相对湿度水平下 HPCC 含水量随时间的变化。c) 一夜之后不同水蒸气相对压力和吸水量下 HPCC 的饱和吸附容量。d) 热源温度，e) HPCC 的水分流失，以及 f) 概念验证实验中不同加热功率下蒸发、辐射和对流提供的冷却功率。g) 吸附/解吸循环测试中 HPCC 的饱和吸附容量和热源温度。h) HPCC 下层和上层的水接触角。
2.4 室外测试中的冷却性能
HPCC的室外冷却性能在图 5中得到了验证。图5a和5b展示了实验装置和测试现场的布置。HPCC通过反射太阳光和辐射热量，以及夜间吸附水分实现了显著的冷却效果。图5d显示，在高温、高湿度环境下，HPCC相较于最佳辐射冷却材料（PDRCC）温度更低，白天的温差（ΔT）平均为5.5°C，极端条件下可达到11.0°C。图5g展示了在400 W/m²热负荷条件下，HPCC能够将设备温度控制在45°C以下，较PDRCC冷却的设备低约18.8°C，最大温差可达27.4°C。
图5. HPCC 在室外试验中的冷却性能。a) 实验装置和 b) 室外试验测试装置的示意图。c) HPCC 在室外环境中的工作原理示意图和一天内温度和水分含量的数值模拟结果。d、e) HPCC 的亚环境冷却性能。f) 彩色 HPCC 的散热性能。g、h) 通过 400 W m −2热负荷的外观展示 HPCC 的散热性能。i) 冷却材料集成液冷系统和原始液冷系统的示意图。j) 室内试验和 k) 室外试验中不同液冷系统冷却的热源温度。
2.5 变压器冷却应用
图6展示了HPCC在变压器冷却中的应用前景。图6a和6b展示了变压器的外观及其内部结构。由于变压器工作时产生大量热量，传统冷却方式难以应对高温环境。通过实验，研究发现使用HPCC冷却后的变压器油温较自然冷却的油温降低了25.3°C，如图6d所示。这一结果表明，HPCC在高负荷电力设备的冷却中具有巨大潜力。图6g展示了在全球城市中应用HPCC于建筑屋顶后的年节电和碳减排效果，其中HPCC对建筑物冷却需求的减少尤为显著，特别是在高温地区如利雅得和孟买等地。
图6. HPCC在变压器冷却和节能中的应用。a)变压器图片。b)变压器内部结构图。c)变压器冷却试验的实验装置。d)白天HPCC冷却变压器的油温与自然冷却变压器的油温比较。e)不同时间变压器内部温度的模拟结果。f)全球城市屋顶应用HPCC，每单位建筑面积的制冷节能效果。g)特定建筑屋顶应用HPCC，每年可节省电费并减少二氧化碳排放量。
总结:本文通过设计一种结合辐射冷却和蒸发冷却功能的混合被动冷却复合材料（HPCC)，为解决重载电力设备的散热问题提供了有效方案。HPCC采用优化后的金属有机框架MOF-801(Zr)和MIL-101(Cr)材料，利用其多孔结构在光学性能和水蒸气吸附性能上表现出色。研究通过一系列实验验证了HPCC的优异散热性能，其太阳光反射率高达0.98，中红外发射率达到0.96，确保在白天和夜晚都能进行高效散热。同时，该材料具备较强的水蒸气吸附能力，能够在无需人工补水的情况下通过大气水收集实现蒸发冷却。
HPCC在实际应用中表现出显著的温度下降效果，能将户外重载电力设备（如变压器）的温度降低25.3°C。实验结果表明，HPCC优于现有的辐射冷却材料，具有广泛的应用潜力，尤其适用于需要节能和高效散热的场景，如电力设备冷却和建筑节能领域。
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