ACS Appl. Energy Mater.|具有优异双疏单体性能的柔性被动日间辐射制冷气凝胶

研究背景

与传统冷却技术带来的巨大能源消耗和环境压力相比，被动日间辐射冷却（PDRC）因其零能耗而脱颖而出，从而引起了节能研究人员的极大兴趣。各种PDRC材料，如薄膜、光子材料、多孔材料和织物，已经引起了研究者的关注。在这些材料中，PDRC以其灵活的力学性能和低导热性而备受关注。此外，自清洁能力越来越被认为是被动日间辐射制冷气凝胶（PDRCA）的一个关键属性，因为在日常实际情况下，表面污染会降低冷却性能。然而，仅仅依靠疏水或超疏水特性，顽固的污染物，如鸟粪和油脂，继续对可持续的自清洁构成挑战。因此，正如我们之前的研究所强调的那样，双疏或超双疏PDRCA的发展已经变得势在必行。尽管氟化细菌纤维素气凝胶表现出特殊的光谱特征和显著的双疏整体特性，但由于从细菌纤维素的长链上去除氢键基团，导致结构变脆，因此遇到了实质性的机械性能问题。为了解决这一挑战并实现具有优异双疏单块性能的柔性PDRCA，上海第二工业大学于伟教授课题组引入了一种利用聚偏氟乙烯(PVDF)制造氟化气凝胶并将三聚氰胺泡沫(MF)作为结构支撑的创新方法。选择PVDF是因为其特殊的固有光谱特性和耐老化性。同时，MF的微孔结构和柔韧性有助于提高气凝胶的力学性能。此外，MF在中红外波长范围(2.5 ~ 25μm)的高发射率对PDRCA的光谱特性有积极影响。这一创新策略不仅赋予了氟化气凝胶双疏性，而且提高了其柔韧性，为开发低导热的柔性双疏PDRCA铺平了道路。

相关成果以“Flexible Passive Daytime Radiative Cooling Aerogel with Outstanding Amphiphobic Monolith Properties”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Energy Materials》上。

研究结论

为了解决氟化改性导致PDRCA脆性的问题，上海第二工业大学王琦教授课题组引入了一种创新策略，利用PVDF制造氟化气凝胶，并将MF作为结构支撑来增强气凝胶的机械坚固性。在进行了一系列全面的特征描述、绩效评价和分析性评估之后，可以得出以下几个关键结论:

首先，MF的加入显著改善了MPA的力学性能，保证了其在实际应用中的有效辐射冷却性能。在晴朗的冬季天气条件下，MPA相对于室内环境温度的平均和最大温差分别为4.08℃和11.56℃。此外，MPA内存在大量内部孔隙，导致导热系数非常低，有利于最大限度地减少与环境的传导和对流传热，减少寄生热增益。

其次，获得的MPA具有优异的光谱特性，在太阳光谱中平均反射率为97.67%，在中红外波长范围内平均发射率为99.68%。它还具有超疏水和显着的疏油整体性能，确保在实际应用中辐射冷却性能的持续有效性。此外，MPA表现出一定程度的透气性，有助于调节室内温度和湿度，以减轻霉菌和潮湿问题。通过折叠循环和紫外线老化测试，它也表现出一定程度的环境抗性。

最后，这项工作为解决氟化改性导致的结构脆性提供了一个重要的方法，为柔性PDRCA的开发提供了参考。

研究数据

图1。MPA的制备。

图2。(a) PA和MPA内部结构的扫描电镜(SEM)图像。(b) PA和MPA压汞孔隙度法得到的孔径分布曲线。(c)三点弯曲条件下PA和MPA的应力-应变曲线。(d)弯曲性能。

图3。(a)激光导热仪在不同温度下测得PA和MPA的导热系数，(b) TC3000E导热仪在室温25℃左右测得PA和MPA的导热系数。(c) PA(4.98±0.05 mm)和MPA(5.04±0.10 mm)的红外成像照片。(d)温度随时间的响应曲线。

图4。(a) MPA的反射率(0.3 ~ 2.5μm)和发射率(2.5 ~ 25μm)。(绿色和紫色阴影区域对应归一化AM 1.5太阳光谱和大气窗口)。(b) MPA、PA和MF的反射率(0.3 ~ 2.5μm)和发射率(2.5 ~ 25μm)以及MPA的透射率(0.3 ~ 25μm)。(c)晴天时的温度曲线(线)及太阳强度(橙色阴影区)。(d)天气条件。使用lambda 1050+和Nicolet iS50来评估图4中描述的光谱特性。降温试验在上海第二工业大学进行(纬度:31°15′31″N，经度:121°8′57″E，海拔:20 m，中国上海)，下面提到的所有后续室外试验都在同一地点进行。

图5。(a) MPA表面和内部的WCAs, OCAs、滑移角(SAs)，以及MPA的润湿性测试和自清洁性能。(b)温差(线)和太阳强度(橙色阴影区)。(c)相对湿度及风速。

图6。(a)机械折叠循环试验。(b) MPA紫外线老化试验前后照片。(c) MPA和F-MPA内部结构及MPA和A-MPA表面结构的SEM图像。(d) MPA、F-MPA和A-MPA表面的WCAs和OCAs。

图7。(a) MPA、F-MPA、A-MPA的反射率(0.3 ~ 2.5μm)和发射率(2.5 ~ 25μm)。(绿色和紫色阴影区域对应标准化的AM 1.5太阳光谱和大气窗口。)(b)温差(线)、太阳强度(橙色阴影区域)和晴天的天气情况。使用Cary 5000和Nicolet iS20对图7所示的光谱特性进行了评估。

https://doi.org/10.1021/acsaem.4c00835

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