来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202505224

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背景介绍

被动辐射制冷是一种新兴的、绿色可持续的散热策略，能够通过大气透射窗将大部分太阳光反射到3K宇宙空间，并将长波红外辐射发射到3K宇宙空间，从而实现对低于环境温度的物体进行冷却，而无需能量输入、温室气体排放或污染输出。聚合物气凝胶具有高度易燃性，存在严重的火灾危险。长时间暴露于户外条件不可避免地会降低其辐射冷却和防火能力，使其无法长期用于户外设备。因此，迫切需要开发具有增强的耐极端环境条件的先进辐射冷却气凝胶。

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成果掠影

近日，四川大学赵海波团队开发了一种具有蜂窝状结构的高温隔热辐射制冷泡沫状气凝胶。结冷胶/MF树脂的热响应凝胶化、强物理/化学交联和层级纳米层组装，使空气模板化的泡沫乳液能够在大气压下H₂O挥发时保持气泡衍生的多孔结构，从而形成结构有序的泡沫状气凝胶，显著降低了制备能耗和污染所合成的高度有序的冷却泡沫状气凝胶（GMSx）具有96.2%的高孔隙率（孔径15-30 μm），并由于强化学/物理交联网络和双重纳米增强效应（层级有序纳米层和SiO₂纳米颗粒），展现出优异比模量。通过环保的低碳绿色低能耗制造技术与涉及隔热和辐射制冷的节能应用相结合，有助于最大限度地缓解全球变暖和能源危机。研究成果以“Scalable Low-Carbon Ambient-Dried Foam-Like Aerogels for Radiative Cooling with Extreme Environmental Resistance”为题发表在《Advanced Materials》期刊。

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图文导读

图1. 泡沫状气凝胶的概念设计与制备策略。a) 耐久阻燃辐射冷却生物质泡沫气凝胶的低碳应用原理示意图。b) 通过节能省资源的常压干燥工艺制备泡沫状气凝胶的合成路线及相应机理（无需依赖冷冻干燥或溶剂交换）。

图2. 可规模化加工性能与粘附性能。a) GMS0.6的光学照片展示其按需可扩展性；b) 大尺寸GMS0.6样品实物图（35×25×1.5 cm³）；c) GMS0.6在不同基材上的粘附强度；d) GMS0.6粘合的不锈钢片可承受1000 g重量；e) 搭接接头试样的示意图及粘附机理。

图3. 泡沫状气凝胶的结构表征与常压干燥机理。a,b) GM和GMS0.6的SEM图像及EDS元素分布图；c,d) GMSx的孔径分布和孔隙率；e) GMS0.6与其他已报道生物质气凝胶（支持信息表S4）的比模量-孔径对比，插图为展示轻质特性的实物照片；f) GM和GMS0.6的压缩应力-应变曲线；g) FT-IR光谱和h) O的1秒的高分辨率XPS谱图（GM与GMS0.6对比）；i) GM-H水凝胶和j) GM-F泡沫水凝胶干燥前后的宏观/微观形貌；k) 结冷胶的温度响应性凝胶可逆性及其泡沫乳液的热稳定性；l) 含/不含结冷胶的MF树脂乳液（4小时后状态对比）。

图4. GMS0.6的高温隔热、防火屏蔽与阻燃性能。a) GMS0.6、PU泡沫和EPS泡沫在200°C加热10分钟后的红外热像图；b) 采用丁烷喷枪的自组装防火评估装置；c) 丁烷喷灯火焰加热过程中GMS0.6背温随时间变化曲线；d) GM和GMS0.6在1300°C火焰灼烧450秒和900秒前后的红外热像对比；e) GMSx的极限氧指数（LOI）值；f-g) 锥形量热测试中的峰值热释放速率（PHRR）与总发烟量；h) 高效防火屏蔽与阻燃机制示意图。

图5. 亚环境辐射冷却性能与恶劣环境耐受性。a,b) GMS0.6在AM 1.5太阳光谱和实际大气窗口下的反射率与发射率光谱；c) 实际辐射冷却测试的自制装置；d) 商用白色气凝胶毡与GMS0.6覆盖的铝板实时温度变化（2024年5月，成都）；e) 不同气凝胶对应的亚环境温降；f) 不同城市建筑模型的全年制冷能耗；g,h) 不同介质处理后的GMS0.6太阳反射率与体积变化；i,j) 本泡沫气凝胶与已报道冷却气凝胶的综合性能对比。