中国青年学者一作！最新ACS Nano：微纳多孔生物质气凝胶，实现全天气候高效被动辐射冷却

随着全球变暖与能源消耗相互加剧，传统冷却系统如空调不仅耗能巨大，还进一步推高温室气体排放。被动辐射冷却（PRC）作为一种零能耗的可持续冷却技术，通过反射太阳光（0.3–2.5 μm）并利用大气透明窗口（8–13 μm）将热量辐射至太空，展现出巨大潜力。然而，白天高达1000 W m⁻²的太阳辐照度以及材料在反射率、发射率、机械强度和环境耐久性方面的不足，仍是当前PRC技术面临的主要挑战。

近日，苏黎世大学Stefan Seeger教授课题组成功开发出一种基于生物质聚乳酸（PLA）与一维聚倍半硅氧烷纳米纤维（1D PSNFs）复合的微纳多孔气凝胶冷却材料。该材料实现了超过97%的太阳光反射率和97%的热辐射率，在连续720小时的户外测试中表现出138.6 W m⁻²的冷却功率，并将环境温度降低约9°C。此外，该气凝胶还具有低热导率（29.0 mW·m⁻¹·K⁻¹）、超疏水性（水接触角约175°）、低密度（44.43 kg/m³）和高比表面积（137.84 m²/g）等优异特性，适用于多种气候条件下的全天候被动辐射冷却。

相关论文以“Biomass-Derived Polysilsesquioxane Nanofilament Reinforced Porous Aerogel for Durable Passive Radiative Cooling across All Day and Weather Conditions”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为Xu Jie。

研究团队通过将1D PSNFs均匀分散于PLA溶液中，利用冷冻干燥技术构建了具有分级微米-纳米孔道的三维气凝胶结构。图1a展示了该气凝胶的制备过程及其形成机制：在冷冻过程中，1D PSNFs被排除至冰晶界面，最终定位于孔壁，形成稳定的多孔网络。图1b中可见水滴在材料表面呈近乎完美的球状，证实其超疏水性能。光谱测试显示（图1c），该材料在太阳光谱波段具有高达97%的平均反射率，在大气窗口波段也具有97%的平均发射率。与现有PRC材料相比（图1d），该气凝胶在反射率、发射率、日间降温幅度和冷却功率方面均表现出显著优势。

图1 a) 1D PSNFs分散微纳多孔PLA三维气凝胶冷却器（PSNF/MNPLA）的制备过程与形成示意图。 b) 水滴在复合气凝胶表面的图像。 c) PSNF/MNPLA在0.25–25 μm波长范围内的反射率与发射率光谱，以及标准化ASTM G-173-03 AM1.5全球太阳光谱和大气透射谱。 d) 本工作与现有PRC材料在平均太阳反射率、中红外发射率、日间降温幅度和日间冷却功率方面的对比。

进一步的结构表征（图2）揭示了1D PSNFs对气凝胶孔结构的调控作用。纯PLA气凝胶仅具有微米级孔（平均66.45 μm），而引入1D PSNFs后，微米孔尺寸减小至5.42 μm，并形成了平均341 nm的纳米级孔。扫描电镜图像（图2c）显示，1D PSNFs交织缠绕于孔道周围，有效缩小了孔径并增强了结构稳定性。能谱分析进一步证实了Si元素（来自PSNFs）在孔边缘和内部的富集，说明纳米纤维的成功嵌入。

图2 a) PLA气凝胶、MNPLA和1D PSNFs（孤立）的SEM图像。 b) PLA、MNPLA、PSNF/MNPLA气凝胶以及1D PSNFs的微米与纳米孔尺寸分布。 c) PSNF/MNPLA气凝胶的SEM图像及其EDX元素分布图（Si、C、O）。

图3系统比较了不同气凝胶的光学、热学与表面性能。随着1D PSNFs的加入，材料在太阳波段的反射率从73%（纯PLA）提升至97%，红外发射率也增至0.97（图3a–c）。差示扫描量热与热重分析表明（图3e–f），1D PSNFs的引入提高了玻璃化转变温度与熔点，增强了热稳定性。此外，气凝胶的密度降低至44.43 kg/m³，孔隙率达95.8%，热导率降至29.0 mW·m⁻¹·K⁻¹，表面面积提升至137.84 m²/g（图3g–h）。超疏水性能也随1D PSNFs含量增加而显著提升，水接触角达175°，滑动角降至11.5°（图3i）。

图3 a) 反射率光谱，b) 发射率光谱，c) 平均反射率与发射率（8–13 μm），d) 吸收光谱，e) DSC曲线，f) TGA曲线，g) 密度与孔隙率，h) 热导率与表面积，i) 气凝胶（PLA、MNPLA、PSNF/MNPLA）的水接触角。

户外实测结果（图4）进一步验证了该气凝胶的冷却效能。在日间高温（约48°C）条件下，PSNF/MNPLA气凝胶表面温度始终低于环境温度，最大降温达9°C（图4d–e）。夜间同样表现出优异的冷却性能，降温幅度最高达9.1°C（图4g–h）。冷却功率计算显示，在40°C环境下，PSNF/MNPLA的净冷却功率高达138.6 W m⁻²，远高于对照样品（图4f,i）。红外热像图（图4j）显示，即使在100°C热板上加热10分钟，该气凝胶仍能保持较低温度，体现出良好的隔热性能。

图4 a) 日光下性能测试装置示意图。 b) 户外测试照片。 c) 气凝胶在80%应变下的压缩应力-应变曲线。 d, g) PLA、MNPLA和PSNF/MNPLA气凝胶在日间（2023年7月7日，晴朗无风，平均环境温度44.8°C，相对湿度35%）和夜间（2023年7月9–10日，晴朗无风，环境温度约24.3°C，相对湿度65%）的温度记录。 e, h) 日间与夜间样品与环境空气的温差。 f, i) 在日间（40°C）和夜间（20°C）环境下，不同非辐射热传导系数（hc=0, 4, 6.9 W·m⁻²·K⁻¹）下的冷却功率计算值。 j) 气凝胶在100°C加热10分钟后的红外热像图。 k) PLA、MNPLA和PSNF/MNPLA样品性能雷达图对比。

研究还考察了材料厚度对性能的影响（图5）。尽管增加厚度可提升PLA和MNPLA的反射率，但PSNF/MNPLA即使在3 mm薄层下仍保持97%的反射率和发射率（图5a–c），说明其结构对厚度变化不敏感，有利于实际应用中的成本控制与灵活设计。

图5 a) 反射率光谱，b) 发射率光谱，c) 3 mm与7 mm厚度PLA、MNPLA和PSNF/MNPLA气凝胶在0.25–25 μm波长范围内的平均反射率与发射率。 d) 日间测试温度记录（2023年7月18日，晴朗大风，平均环境温度41.9°C，相对湿度41%）。 e) 冷却器与环境空气的温差。 f) 日间在hc=4 W·m⁻²·K⁻¹条件下冷却功率随温度变化曲线。

在耐久性测试中（图6），该气凝胶在pH=1酸液和户外曝露7天后，光学性能与冷却效果均保持稳定；仅在pH=13碱液中发射率略有下降（0.95）。水接触角与滑动角测试也显示其在酸性和中性环境中具有优异的疏水耐久性，仅在强碱环境下略有下降（图6f），整体表现出良好的环境适应性。

图6 a) 反射率光谱，b) 发射率光谱，c) 平均反射率与发射率，d) 吸收光谱，e) 日间（2023年7月18日）冷却器与环境空气的温差，f) PSNF/MNPLA复合气凝胶冷却器在浸泡与户外曝露后的水接触角与滑动角数值。

综上所述，本研究通过将1D PSNFs嵌入生物质PLA气凝胶中，成功开发出一种具有高冷却效能、优异稳定性与环保特性的被动辐射冷却材料。该材料不仅在多种恶劣环境下保持性能稳定，还具备超疏水、低导热和机械强度等综合优势，展现出在建筑节能、户外设备冷却等领域的广泛应用前景。