文献前沿丨Adv. Mater.：基于仿生刺状纤维的可持续全生物质辐射冷却器用于增强热电发电

生物质材料因其高红外发射率和环境友好性等关键特性，在辐射冷却领域备受关注。然而，原始生物质的太阳光散射能力存在固有局限性，制约了全生物质辐射冷却材料的发展。受澳洲刺叶树（Dendrocnide moroides）硅质针状结构的启发，本研究开发出全纤维素基仿生荆棘纤维（BTFs）作为高性能辐射冷却材料。该材料呈现出具有微米级纤维（约1-10 μm）与孔隙的有序结构，其层级孔隙中的有序纤维主要通过纤维素纳米纤维在水热处理的纤维素纳米晶模板上堆叠形成，并辅以钠离子介导的静电自组装策略和直写成型3D打印技术提供的挤出诱导定向排列。所得BTFs材料在可见光波段平均反射率达91.0 %，在大气窗口内发射率高达92.4 %，展现出优异的日间辐射冷却性能。进一步将直写成型打印的BTFs与梯度结构热电器件集成，通过收集电子元件废热，在30 °C温差条件下实现了7.61 W·m⁻²的输出功率密度，有效优化了热传导路径。本研究为碳中和冷却技术与可持续能源应用提供了创新路径，相关工作以Sustainable All-Biomass Radiative Coolers with Biomimetic Thorny Fiber for Enhanced Thermoelectric Power Generation为题发表在期刊Advanced materials上。

本文从热带毒刺植物 Dendrocnide moroides 表面硅针结构出发，设计了如图1 所示“刺状纤维-多级孔”仿生结构；经水热处理-静电自组装-DIW 3D 打印（图2）制备全纤维素 BTF 材料，可见光反射率91.0 %，大气窗口发射率 92.4 %（图4h）。系统研究了BTF 的规模化打印工艺、环境稳定性（图3）及全天辐射降温性能：日间降温 3.7 °C、夜间 6.0 °C（图4p）。进一步构建梯度填充B-TEG 器件，在 ΔT=30 °C 时输出密度 7.61 W m⁻²（图5h），验证了同步降温与废热发电的户外长效应用潜力（图5l）。

图1. BTF的设计和表征。a）Dendrocnide moroides和二氧化硅针的数字图像。B）二氧化硅针的光散射示意图。c）DIW印刷的BTF的制备示意图。插图数字图像显示冷冻干燥后的DIW印刷的BTF。d）由DIW打印的基于BTF的辐射冷却材料的示意图。e，f）由DIW打印的BTF的横截面的SEM图。g）DIW打印的BTF的能量流图。h）DIW打印的BTF的光学优化原理。i）BTF的ATR-FTIR曲线。

图2. BTF的形成机理。a）T-CNC形态变化示意图。B，c）CNCs（B）和T-CNCs（c）浓度为5 wt%的透射电子显微镜（TEM）和数字图像。d）CNCs和T-CNCs的FTIR光谱。e）CNCs和T-CNCs的XPS光谱。f）作为CNC和T-CNC的散射矢量的函数的SAXS图案和洛伦兹校正强度。g）CNC和T-CNC的XRD图案。由XRD结果导出晶面和非晶区的含量。h）CNC和T-CNC的WAXS图案。i）CNC和T-CNC的方位积分曲线。j）T-CNC晶格重组的示意图。k，l）T-CNC/CNF（k）和BTF（l）的POM图像。m）具有T-CNC堆叠的Na+驱动的CNF的示意图。n-q）（n）CNC/CNF的横截面的SEM图像，（o）HNC，（p）T-CNC/CNF，和（q）BTF。所有统计数据表示为平均值±标准差（SD）（n = 3，*p < 0.001）。

图3. BTF凝胶油墨的流变行为和印刷适性。a）BTF的流变性能示意图。B）T-CNC/CNF和BTF油墨的粘度作为剪切速率的函数。c）剪切应力作为剪切速率的函数，数据由Herschel-Bulkley模型拟合。d）G′和G ε作为在1 Hz的固定频率下的振荡应力的函数。e）时间-f）CNC、T-CNC、T-CNC/CNF和BTF油墨的初始粘度、G′和屈服应力。g，h）使用T-CNC/CNF（g）和BTF（h）印刷的网格结构的POM图像。i-l）挤出过程中T-CNC/CNF（i，j）和BTF（k，l）的POM图像。m-q）DIW印刷的BTF的SEM形态，比例尺为（m）500 μm、（n，o）100 μm和（p，q）10 μm。所有统计数据表示为平均值± SD（n = 3，*p < 0.001）。

图4.用于辐射冷却的DIW印刷BTF的光学特性和应用。a）DIW印刷BTF的光散射示意图。b，c）在（b）100 μm和（c）10 μm的比例尺下的DIW印刷的BTF的SEM形态。d）DIW印刷的BTF中的纤维直径的统计图。e）DIW印刷的BTF中的纤维的散射效率随直径和入射波长而变化。f）用于显示T-CNC、T-CNC/CNF、T-CNC/g）DIW印刷的BTF的汞侵入-挤出曲线和孔径。h）T-CNC、T-CNC/CNF、BTF的太阳光反射率和红外发射率i）生物质材料的光学性质比较。j）风速和大气发射率对DIW印刷的BTF的冷却温度的影响。k，l）DIW印刷的BTF在（k）白天和（l）夜间的净冷却功率的理论计算。m）氙灯模拟照明实验的示意图。氙灯下T-CNC、T-CNC/CNF和BTF的红外图像。o）阳光下室外热测量装置的示意图。p）DIW打印BTF和环境空气的实时温度测量。DIW打印BTF和环境空气之间的温差。q）现有DIW打印BTF的红外和数字图像。

图5. B-TEG的制备和性能a）B-TEG的原理和结构B）B-TEG的顶盖和底盖示意图。c）顶盖和底盖的数字图像; d）顶盖和底盖在热板上的红外图像; e）顶盖和底盖在300 s时的温度分布曲线; f）不同温度梯度下B-TEG的开路电压; g）不同温度梯度下B-TEG的输出电压和相应电流; h）不同温度梯度下B-TEG的功率密度和相应电流。不同温度梯度下的三甘醇。i）不同温度下B-TEG输出电压的变化。j）模拟曝光实验装置示意图。k）氙灯下不同温度下B-TEG输出电压的变化。l）B-的输出电压和温度所有统计数据表示为平均值土SD（n = 3，***p < 0.001）。

小结：总之，仿生策略已经成功地设计用于开发用于辐射冷却的纤维素基材料。重点是利用水热法在CNCs中引发脱硫反应，然后暴露出丰富的羟基，引导其沿着（200）晶面取向，从而最终形成独特的T-CNC结构，通过1 m NaCl介导的协同离子-氢键组装，结合DIW技术T-CNCs的纵向取向有利于碳纳米纤维的沿着堆叠形成BTF，BTF的可见光反射率为91.0%，大气窗口发射率为92.4%集成B-TEG器件具有梯度结构，通过高密度顶盖抑制环境热输入，同时通过低密度底盖加速热传导，在ΔT = 1.00时，实现7.61 W m−2的优异上级功率密度，这项研究证明了辐射冷却材料在可定制DIW技术实现的可持续能源设备中的巨大潜力，并为环境友好的能源收集和可持续发展提供了新的途径。

论文信息：Shi, X., Luo, Y., Liu, C., Zhou, G., Liu, C., Li, M. C., & Mei, C. (2025). Sustainable All‐Biomass Radiative Coolers with Biomimetic Thorny Fiber for Enhanced Thermoelectric Power Generation. Advanced Materials, e16401.

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