香港理工大学沈曦课题组Nano-Micro Lett.：协同隔热–辐射–蒸发功能的各向异性吸湿性水凝胶

在全球气候变暖和能源紧张的背景下，被动冷却技术因其无需外部能源驱动而备受关注。传统的蒸发冷却材料（如吸湿性水凝胶）受限于过量的太阳辐射和环境热量，难以实现低于环境温度的日间有效冷却。将蒸发冷却与辐射冷却结合起来是一种思路（如隔热蒸发策略），但由于热和蒸汽传输的高度耦合，现有双层结构无法同时实现高热阻与低蒸汽阻。为解决这一关键问题，本研究受人类皮肤结构的启发，利用水凝胶内外的双重对准结构来协调热量和水的传输，开发出一种各向异性协同隔热–辐射–蒸发（ASPIRE）冷却器。该冷却器在不影响蒸发的情况下降低了太阳辐射和环境热量增益，实现了平均低于环境温度约8.2 ℃的制冷效果，制冷功率峰值高达311 W·m−2。这种协同设计策略为全天候条件下高功率、可持续的被动冷却材料设计提供了新的思路。相关工作以Anisotropic Hygroscopic Hydrogels with Synergistic Insulation‐Radiation‐Evaporation for High-Power and Self-Sustained Passive Daytime Cooling发表在 Nano-Micro Letters 期刊。

受人体皮肤结构（通过垂直汗腺和毛发以有效散热）的启发，本研究系统设计并验证了ASPIRE冷却器的结构与性能。图1展示了由水凝胶“汗腺”和气凝胶“毛发”组成的ASPIRE仿生设计原理。在内部，含有垂直取向的亲水性 PVA 链的 PVA-LiCl 水凝胶实现了日间有效冷却与夜间水分再生。在外部，由垂直排列的疏水性h-BN和CMC-PVA(XCP)基质构成气凝胶，在提高发射功率的同时降低了太阳辐射和环境热增益。此外，气凝胶的疏水性和垂直孔道确保了水蒸发时较低的蒸汽扩散阻力，从而促成了隔热–辐射–蒸发协同冷却机制。图2表征了材料的结构与界面结合特性，证实了垂直排列对液体和蒸汽输运的优化作用。图3验证了对齐结构在水分蒸发与吸附过程中的优势，提升了蒸发速率与再生能力。图4从光学、热导与蒸汽输运角度分析了外层气凝胶的多功能性能，平衡了高热阻与低蒸汽阻力。图5在户外测试中展示了该冷却器在晴天的降温能力与持续水再生特性，图6则进一步验证其在多种天气条件下的稳定运行能力，体现出ASPIRE的全气候适应性和长期实用潜力。

图1：受人体皮肤启发的ASPIRE冷却器设计原理。a)隔热–辐射–蒸发混合系统的热平衡。现有用于蒸发冷却的双层结构设计b)膜–水凝胶与c)气凝胶–水凝胶。d)ASPIRE冷却器多尺度结构设计示意图，其灵感来自人体皮肤汗腺与毛发垂直排列的结构。

图2：ASPIRE冷却器的构建与结构表征。a) 内外取向结构的构建示意图。插图显示，外部对准结构的水接触角为 142°，而内部对准结构在接触角测量过程中快速吸收水分，没有残留水滴。b) ASPIRE冷却器的实物照片，c) 显示内外层之间的强界面粘附。外层气凝胶层的d)表面与e)截面SEM图像。内层水凝胶层的f) 表面与g) 截面SEM图像。

图3：V-PVA-LiCl水凝胶的水分蒸发与再生性能。示意图显示了a) V-PVA-LiCl 水凝胶比b) 随机水凝胶中液体和蒸汽传输更好的机制。c) 在 40 ℃ 和 40% RH 下测量的 V-PVA-LiCl 和R -PVA-LiCl 水凝胶的质量变化模型和实验结果。d) 在相同的湿度 40% RH 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率。e) 在相同的温度 40 ℃ 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率。f) 在连续蒸发（40 ℃，40% RH）和再生（25 ℃，80% RH）期间测量的V -PVA-LiCl 和 R-PVA-LiCl 水凝胶的质量变化。

图4：VBN/XCP气凝胶的辐射、导热和蒸汽传输特性。a) XCP 和 VBN/XCP 气凝胶的太阳和 LWIR 吸收光谱。b) CP、XCP 和 VBN/XCP 气凝胶的 FTIR 光谱。c) XCP 和 VBN/XCP 气凝胶的 SEM 图像。d) 不同h-BN负载量的 VBN/XCP 气凝胶的太阳加权反射率和热导率。e) 对比有无 MTMS 交联的 VBN/CP 气凝胶的润湿状态与水接触角。f) 热台和 VBN/XCP 气凝胶表面之间的温差与台面温度的关系图。插图显示了温度为 60 ℃ 的热台上 VBN/XCP 气凝胶的红外图像。g) VBN/XCP 气凝胶与其他常见辐射冷却或隔热材料的主要性能比较。h)具有不同厚度 VBN/XCP 气凝胶的 ASPIRE 冷却器在 40 ℃ 和 40% RH 下蒸发时的温度。i) 在 40 ℃ 和 40% RH 下测量V-PVA-LiCl 水凝胶（无气凝胶覆盖）和覆盖不同气凝胶时的质量变化。

图5：ASPIRE 冷却器的亚环境冷却性能和协同隔热–辐射–蒸发冷却机制。a) 用于测量户外测试中冷却性能的实验装置示意图和照片。比例尺为 10 厘米。b) 测试期间的日照强度和湿度曲线。插图为万里无云的晴空照片。c) 测试期间的亚环境冷却温度ΔT。d) 测试期间ASPIRE冷却器、辐射冷却器（即 VBN/XCP 气凝胶）、蒸发冷却器（即 V-PVA-LiCl水凝胶）和环境的温度以及ASPIRE冷却器的质量变化。e) 蒸发和辐射冷却功率对ASPIRE冷却器总冷却功率的贡献。f) 各种冷却机制对ASPIRE、辐射和蒸发冷却器总冷却功率的贡献。g) 不同日照通量下 ASPIRE冷却器与其他冷却器的被动冷却功率比较。

图6：ASPIRE 冷却器的全天候、自持续多日冷却性能。a) 进行室外冷却性能测试时阴天（2023年9月4日，中国香港）的日照与湿度数据。插图显示了测试期间拍摄的阴天照片。b) 三个冷却器的温度和c) 低于环境温度的冷却温度（ΔT）。d) 2023年9月19日至21日在中国香港进行48小时连续测试期间的日照与湿度数据。e) 连续48小时测试期间ASPIRE冷却器和环境温度的变化。

小结：本研究开发了一种仿生人体皮肤结构的ASPIRE冷却器，通过构筑内外双向各向异性结构，在材料尺度上实现了热绝缘、辐射冷却与蒸发冷却的协同作用。实验表明，该结构不仅在晴朗日照条件下实现高达311 W·m−2的冷却功率和8.2 ℃的降温能力，还能在夜间通过LiCl的吸湿作用完成水分自再生，从而实现连续、全天候的自持续冷却效果。相较于单一机制或传统双层结构，ASPIRE冷却器权衡了热阻、水传输与环境适应性，为高效、低耗的被动冷却技术提供了新思路，在可持续能源与建筑热管理等领域具有广阔应用前景。

论文信息: Dong, X., Chan, KY., Yin, X. et al. Anisotropic Hygroscopic Hydrogels with Synergistic Insulation-Radiation-Evaporation for High-Power and Self-Sustained Passive Daytime Cooling. Nano-Micro Lett.17, 240 (2025).

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01766-5

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.