郑大《AFM》：一种用于日间辐射制冷的超疏水气凝胶！

2022-11-09 16:54:01 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

空调、冰箱等传统制冷设备在制冷过程中消耗大量能源和资源，并伴有额外热效应的产生，产生温室效应和城市热岛效应。因此，随着人们环保意识的增强，具有净制冷能力的资源节约型和生态友好型方法成为当务之急。被动辐射冷却是一种零能量输入冷却技术，通过将辐射热流从地球上的物体传递到外层空间，因此被认为是传统冷却技术的可持续替代品。因此，具有被动冷却能力的材料揭示了节能领域的有吸引力的未来。被动辐射冷却技术提供了一种可持续的冷却方式，它是通过向寒冷的宇宙发射热量和反射太阳光相结合的技术，其不需要任何能量输入。然而，不可降解的辐射制冷材料的大量消耗造成了资源浪费和环境污染。同时，室外环境中的污垢污染很容易影响冷却效率。

来自郑州大学的学者将仿生层次化结构设计与立体复合晶体相结合，通过一种简单的水辅助热致相分离方法，制备了一种具有低导热系数(37 mW m^-1K^-1)、高压缩强度(0.1 MPa)和自清洁能力的可降解超疏水(152°)立体复合聚乳酸气凝胶。最佳气凝胶具有高太阳光反射率(89%)和强红外发射率(93%)，白天降温3.5℃，夜间降温5.8℃。这种气凝胶为辐射冷却应用开辟了一条环境可持续的途径。相关文章以“Hierarchically Superhydrophobic Stereo-Complex Poly (Lactic Acid) Aerogel for Daytime Radiative Cooling”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202207414

图1.a) S_C-PLA气凝胶的制备过程;b) S_C-PLA气凝胶冷却过程中微纳结构形成示意图。c) PLLA, d) L-D, e) L-D-2, f) L-D-4气凝胶的1、2)SEM图像和3)相应的孔径分布。

图2.a) WAXD曲线，b) DSC曲线，c)计算出的H_C和S_C结晶度，d) TGA曲线，e) PLA气凝胶的温度-粘度图。f)不同体积水对PLLA/PDLA结晶行为的示意图描述。g)循环1次和100次后PLA气凝胶的压缩应力-应变曲线。h)各循环下的最大应力。i)不同循环后PLA气凝胶的机械迟滞。

图3.a) PLA气凝胶的反射率和发射率谱。b)孔隙对入射阳光散射效率的理论分析。c) PLA气凝胶的导热系数和孔隙率。d) PLA气凝胶的热红外图像。e) L-D-2气凝胶与其他冷却器和绝缘体的比较。

图4.a)以L-D-2和PLLA气凝胶为例，在隔热泡沫箱中测量辐射冷却示意图。对中国郑州b)夜间(2022年4月20日至21日)和c)白天(2022年4月21日)次环境冷却性能测试的温度测量。提取d)夜间和e)白天的温差。估计冷却功率作为f)夜间和g)白天温差的函数。

图5.a) PLA气凝胶和b) L-D-2气凝胶在不同溶液下的水接触角。c)以高锰酸钾为污染物的PLLA和L-D-2气凝胶的自清洁试验。d)雨水或水冲刷PLA气凝胶上的污垢示意图。e)被污物污染的L-D-2气凝胶(dirt)、被污物水清洗的L-D-2气凝胶(cleaned)和未经处理的L-D-2气凝胶(Original)的亚环境冷却性能试验

总之，本研究成功地制备了一种仿生环保冷却器，它将优异的光学性能、热稳定性、独特的压缩强度和自清洁性能结合在一个设计中。除了强热发射率（93%）外，L-D-2气凝胶还具有有序的微纳结构，可提供高太阳光反射（89%）和出色的TC（37 mW m^-1K^-1），可以有效抑制较热的周围寄生热增益。使用L-D-2气凝胶，本研究证明了白天温度下降3.5℃，夜间温度下降5.8℃。高 Sc含量（24%）和压缩性能（0.1 MPa）带来的出色热稳定性增强了气凝胶在户外应用中的耐用性。此外，高WCA（152°）带来的自清洁性能不仅可以使气凝胶远离水和污垢污染，还可以使气凝胶保持良好的辐射冷却效果。本研究相信这种方法展示了一种实用有效的解决方案，以绿色和可持续的方式降低温度和节约能源。

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