文献前沿丨Nano Energy：受生物启发用于持久日间辐射冷却的具有多相散射结构的超疏水纤维素基热发射器

生物质衍生的辐射制冷系统由于其具备可持续性的优势已经获得了极大的关注。纤维素通过C-C/C-O-C振动模式表现出辐射冷却潜力，能够与外部空间进行热交换。然而，传统的纤维素材料面临着严峻的挑战，包括水敏感性、紫外线降解和室外应用的辐射性能低于标准。受芋头叶多级结构的启发，论文通过酸洗乳液模板和冷冻干燥法制备了多功能纤维素纳米纤维气凝胶。复合气凝胶具有精确设计的多相散射结构，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、CNFs和纳米二氧化硅(nano-SiO2)。这种独特的设计利用折射率失配来建立异质散射界面，显著增强了宽带光管理。PDMS的低表面能和纳米二氧化硅诱导的纳米级粗糙度的协同组合实现了卓越的超疏水性(水接触角: 153.8°)。优化的气凝胶发射器表现出出色的光子性能，具有93.5 %的太阳反射率和98.5 %的红外发射率，能够在峰值太阳辐照度下实现7.51℃的亚环境温度下降。值得注意的是，由于阻挡紫外线的纳米二氧化硅/PDMS基质和稳定的散射网络，该材料在经过30小时紫外线 (60 mW cm-2)的照射后仍然保持95%的初始冷却效率。这种仿生设计通过智能多相结构工程为耐用的高辐射冷却性能材料建立了一种新的范式。相关工作以Bioinspired Superhydrophobic Cellulose-based Thermal Emitters with Multiphase Scattering Structure for Durable Daytime Radiative Cooling为题发表在Nano Energy期刊。

本文从提升纤维素基材料在辐射制冷领域的耐候性和性能出发，设计了如图1所示的仿生超疏水结构，制备了基于纤维素纳米纤维（CNFs）的复合气凝胶（CSP）。通过引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）和纳米二氧化硅（nano-SiO₂），构建了独特的多相散射体系，显著增强了材料的太阳光反射率（如图4g）和红外发射率（如图4h）。实验结果表明，CSP气凝胶在峰值太阳辐射下可实现7.51°C的降温效果（如图4e），展现出优异的制冷性能。如图2所示，采用酸洗乳液模板法和冷冻干燥技术实现了CSP气凝胶的高效制备，其多孔结构显著降低了热导率（如图3f），提升了热绝缘性能。此外，CSP气凝胶表现出卓越的超疏水性（如图5a）和抗紫外线能力（如图6c），在30小时紫外线照射后仍保持95%的初始制冷效率，为户外应用提供了坚实基础。

方案1.辐射冷却气凝胶CSP的制备工艺。

图1.a）CSP气凝胶中CNF、纳米SiO2和PDMS之间的位置关系示意图；b）CNF和CSP的FTIR光谱；c）CNF和CSP的XRD光谱；d）CNF和CSP的TG和e）DTG曲线；f）CNF和CSP的XPS分析；g）CNF的C1s光谱和h）CSP的Si2p光谱。

图2.a-d）CNF、CS、CP、CSP气凝胶正面和侧面的表面微观形态；e）CSP气凝胶表面C、Si O元素分布图。

图3.a）微孔气凝胶中的传热路线示意图；b）不同气凝胶片的吸附-解吸曲线；c）不同气凝胶片的孔径分布；d）不同气凝胶的BET；e）CSP变形80%时的应力-应变曲线；f）气凝胶下表面在200°C以上加热30分钟时上表面的温度情况；g）在模拟阳光下30分钟气凝胶表面（Sp1）和加热阶段（Sp3）的温度曲线。

图4.a）试验装置CSP物理照片的辐射冷却机理和辐射冷却性能。b-c）试验装置原理图；d）CSP气凝胶冷却器在模拟室内阳光照射的氙灯下的冷却性能；e）CSP气凝胶冷却器在2 m/s风速和77%相对湿度下的冷却性能；f）不同组分气凝胶表面温度的加热曲线；g）气凝胶冷却器的光谱紫外-可见-红外反射率与AM1.5太阳光谱的对比；h）气凝胶冷却器在大气透明窗口上的光谱发射率；i）三相散射系统的示意图；j）纳米SiO2 Mia散射示意图；k）通过异质多孔结构的内部散射示意图l）分子振动的红外发射示意图；m）覆盖有气凝胶的模型房屋屋顶的红外摄像头图像；n）气凝胶冷却器的计算冷却功率（白天）。

图5.a）CSP气凝胶表面水滴和100秒内润湿的图像；b）氯化萘气凝胶表面水滴的图像，并在2秒内润湿；c）100秒内CSP气凝胶上甲基橙液滴的WCA变化曲线。d）CNF和CSP的吸湿率；e）CSP吸湿后的辐射冷却性能；f）CSP气凝胶上橙汁、咖啡、牛奶和水的对比图像；g）咖啡液从CSP气凝胶表面滑落的图像；h）CSP气凝胶超疏水性的示意图；i）超亲水性CNF气凝胶的示意图。

图6.a）阳光下气凝胶的示意图；b）紫外老化室中气凝胶的图像；c）60mW·cm-2紫外光照射30小时后CSP气凝胶表面WCA变化曲线；f）60mW·cm-2紫外线照射30小时和g）15天后CSP的冷却性能；h）CSP在5MPa下压缩1分钟后的辐射冷却性能。

小结：总之，论文利用天然生物质纤维素纳米纤维作为气凝胶的主要骨架，通过模仿芋头叶表面的粗糙结构，成功制造了一种超疏水辐射冷却器，并且增强了气凝胶的耐候性。PDMS提供的低表面能特性，结合气凝胶固有的多孔结构和粗糙纹理，使气凝胶能够表现出超疏水性，水接触角（WCA）高达153.8°。研究采用简单的酸洗乳液模板法结合冷冻干燥技术，对气凝胶的异孔结构进行了升级，从而进一步优化了材料的辐射冷却性能。一方面，这种复杂的异质多孔结构具有延长阳光照射路径的能力，它能够高效地反射可见光，使得气凝胶的反射率达到93.5%。另一方面，这种独特的结构赋予了气凝胶出色的隔热性能，使其在辐射冷却应用中具有极大的优势。纳米SiO2和PDMS内的分子振动在显著提高CNFs基材料的红外发射率方面起着关键作用，这背后的根本原因在于，它们的协同相互作用产生了三相散射系统。

在这项研究中，气凝胶CSP的红外发射率为98.5%。在异质多孔结构和分子水平上精心的设计赋予了CSP气凝胶冷却器卓越的辐射冷却能力。在室外实验中，白天达到了7.51°C的亚环境辐射冷却效果。在这项研究中，纳米二氧化硅被发现可以显著增强气凝胶对紫外线照射的抵抗力，这种特性使气凝胶适用于湿度相对较高的室外环境。这项研究代表了开发新型气凝胶冷却器的创新努力，它不仅有助于现有的知识体系，而且为提高冷却效率提供了新的视角。

论文信息：Ren, C.; Wei, Z.; Wang, J.; Cai, C.; Cai, B.; Wang, Z.; Lei, H. Bioinspired Superhydrophobic Cellulose-based Thermal Emitters with Multiphase Scattering Structure for Durable Daytime Radiative Cooling. Nano Energy2025. DOI:10.1016/j.nanoen.2025.111076.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：SpaceEnergy@163.com.