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1研究背景
随着全球碳中和目标的推进，被动辐射冷却（Passive Radiative Cooling, PRC）技术因其无需电力消耗即可将热量散发至外太空而受到广泛关注。然而，尽管在PRC材料的光谱特性调控上取得了一定进展，制造高效且低成本的建筑节能冷却器仍是一个重大挑战。现有冷却系统，如空调和冰箱，不仅消耗大量能源，还对温室效应有显著贡献。PRC技术通过大气透射窗口（Atmospheric Transparency Window, ATW）将热量散发至约3K的低温宇宙，被视为可持续冷却技术的有力候选。然而，实现高性能的日间冷却需要光谱选择性冷却器，以最小化0.3-2.5μm波长范围内的太阳吸收，同时最大化8-13μm波长范围内的中红外发射。目前，通过复杂和高精度的制造工艺，如真空沉积和电子束光刻，已经开发出了光子结构冷却器，但这些工艺成本高昂，难以大规模生产。因此，开发简单且商业可行的被动辐射冷却器对于实际节能应用至关重要。
2成果简介
在这项研究中，研究人员通过电纺丝和冻干技术结合的方法，开发了一种基于纤维素的气凝胶冷却器，该冷却器集成了辐射冷却和热绝缘功能。这种气凝胶由具有珠子-弦结构的电纺纳米纤维构成，展现出了超高的孔隙率（超过99%）和极低的热导率（0.0285 W/mK）。气凝胶还表现出显著的热稳定性、压缩恢复性、抗紫外线和自清洁功能。由于设计的多孔结构和高发射化学键的共存，这种气凝胶冷却器能够通过有效的阳光散射反射97.4%的太阳辐射，并通过ATW以98.5%的发射率稳定地向宇宙散发热量。因此，它能够在日间和夜间分别实现约8.24°C和7.41°C的亚环境冷却性能，即使在多云、高湿度或多风的天气条件下也能实现5.84-9.54°C的冷却温度。当集成到预制房屋的屋顶和墙壁上时，这种气凝胶冷却器能够为炎热气候区的城市每年节省34.4-64.8 kWh/m²的冷却能源。
3图文导读
图1 展示了气凝胶的制造过程和微结构。(a) HNFA的制造过程示意图。(b-d) 珠子-弦混合纳米纤维的SEM和TEM图像。(e, f) 元素映射图、EDX谱图和混合纳米纤维的元素重量。(g-i) HNFA的SEM图像。图2 气凝胶的特性。(a, b) 气凝胶的FTIR和XPS谱图。(c) HNFA的高分辨率Si2p XPS谱图。(d) 气凝胶的TGA曲线。(e) HNFA气凝胶的润湿性。插图显示了HNFA表面的水和大豆油接触角。(f) 气凝胶的孔隙率和热导率。(g) HNFA的实时Tu和Tb。(h) HNFA的Ths与ΔTh之间的线性关系。(i) HNFA在特定时间间隔的红外照片，当时Ths为100和200°C。图3 气凝胶的光谱选择性。(a) 气凝胶的吸光率/发射率谱图，与标准化的AM 1.5太阳谱图和现实的ATW相对比。插图显示了计算出的Rsolar和εATW。(b) 与报道的气凝胶冷却器的Rsolar和εATW的比较。(c) 气凝胶中层次结构纳米纤维的散射机制。(d, e) 通过FDTD模拟CA基质中单个空气孔和空气中单个二氧化硅球的散射效率。(f) HNFA高中红外发射率的提出机制。(g) 气凝胶在不同面向角度下测量的εATW。图4 气凝胶冷却器的PRC性能。(a) 实现理想PRC性能的冷却器的工作机制。(b, c) 在白天和夜晚计算HNFA的冷却功率。(d) 户外测量的自制装置。(e) 测试期间的实时太阳辐射、相对湿度和风速。(f) 在晴朗的一天中24小时测试期间的实时温度。(g) 计算冷却器与环境之间的冷却温度（ΔT）。图5 气凝胶冷却器的耐久性。(a) 气凝胶的压缩-恢复过程演示。(b) HNFA在10-80%应变下的压缩应力-应变曲线。(c, d) 在特定应变下压缩后HNFA的反射率和热导率的变化。(e) HNFA在40%应变下50个循环的疲劳测试。(f, g) HNFA在户外暴露和加速老化测试后的FT-IR和吸光率/发射率谱图。图6 气凝胶冷却器的全年建筑节能。(a) 将气凝胶作为外墙集成到建筑中的工作机制示意图。(b) 模拟全球16个典型城市的冷却节能。(c, d) 在曼谷、上海和渥太华为ESPH-1和ESPH-2模拟HES、CES和TES。(e, f) 预测ESPH-1和ESPH-2在中国的TES。(g) 中国的平均HES、CES、TES和ETES。
4小结
该研究成功开发了一种基于纤维素的气凝胶冷却器，通过结合电纺丝和冻干技术，制造出了具有超高孔隙率和低热导率的气凝胶。这种气凝胶不仅展现出了优异的热稳定性和机械性能，还具备了抗紫外线和自清洁的功能。通过设计的多孔结构和高发射化学键，气凝胶冷却器能够高效反射太阳辐射并稳定地向宇宙散发热量，实现了全天候的亚环境冷却性能。此外，气凝胶冷却器在不同气候条件下均展现出了良好的冷却效果，且在实际应用中具有较高的灵活性和耐用性。当集成到建筑结构中时，这种气凝胶冷却器能够显著降低建筑的能耗，为炎热气候区的城市节省大量的冷却能源。研究结果表明，这种气凝胶冷却器在建筑节能领域具有巨大的应用潜力，有助于缓解全球变暖和减少能源消耗。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.002
