来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202513665

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背景介绍

被动式辐射制冷提供了一种免电力策略，以减少能源消耗。尽管辐射冷却系统取得了重大进展，但诸如气候依赖性和昼夜温度波动等关键限制仍然没有得到解决。辐射冷却效率对环境湿度、云层覆盖和季节变化高度敏感。虽然这些系统在夏季冷却方面表现出色，但它们无法满足冬季供暖需求。相变材料由于其高潜热容量，优异的可逆相变和最小的体积变化，被广泛用于调节人体冷却，电子设备。相变材料已经与辐射冷却材料集成，以提高其冷却性能；相变材料不仅可以通过热能储存来增强辐射冷却，还可以释放储存的能量用于加热。这种双重功能表明了辐射冷却/太阳能加热双模温度调节的巨大潜力。

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成果掠影

近日，北京化工大学汪晓东、刘欢研究团队开发出一种天气自适应的双层Janus气凝胶/PCM复合材料。该材料通过辐射制冷层（壳聚糖/聚甲基硅氧烷气凝胶）与太阳能加热层（十八烷相变材料复合六方氮化硼气凝胶）的协同作用，实现双模式温控。实验显示：在制冷模式下，材料于1057 W/m²日照下实现14.2℃的亚环境降温；在加热模式下，于772.8 W/m²日照下升温14.9℃。相变材料（PCM）通过储热/释热机制"削峰填谷"，显著提升温控稳定性。研究开发的Janus气凝胶/相变材料复合材料在可持续热管理方面取得了重大进展，为多变气候下的被动辐射冷却和太阳能加热应用提供适应性强的解决方案。研究成果以“Weather-Adaptive Janus Aerogel Integrated with Phase Change Materials Enables Dual-Mode Thermal Regulation via Radiative Cooling and Solar Heating”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1.双层结构的Janus气凝胶/PCM复合材料的设计和工作原理。a）复合结构的示意图，突出了与PCM集成的辐射冷却层（顶部）和太阳能加热层（底部）的关键特征。B）在不同环境条件下展示双模式功能的操作机制：辐射冷却（白天/夏季）和太阳能加热（白天/冬季）。c）显示PCM介导的能量储存（热吸收）和释放（热耗散）以稳定温度的热能调节过程。

图2. CS/PMS气凝胶的结构和功能表征。a）轴向和B）径向横截面示意图（a1，b1）和气凝胶样品U 0（a2，b2）、U1（a3，b3）、U2（a4，b4）、U3（a5，b5）和U4（a6，b6）的相应SEM图像。b6）. c1）纯CS气凝胶（U 0）和c2）CS/PMS气凝胶（U3）的高放大率SEM图像，突出PMS微球分布。d）U 0-U4的宏观形态和e）堆密度比较。f）U3在叶子上的浮力证明。g）在径向压缩下的机械性能：i）U3的变形过程可视化，j）U 0-U4的应力-应变曲线，k）U3的多级压缩回弹性，以及l）U3在30%应变下的循环压缩稳定性。

图3. CS和CS/PMS气凝胶的多功能表征。a）水接触角（WCA）图像和B）U 0-U4在0和15 s时的WCA数据。c）染料排斥性：红色，绿色，蓝色，和U 0上的橙子染料（吸收）与U3（成珠）。d）U 0在人工降雨下的自清洁演示（污染物保留）和e）U3 f）U 0和U3在直接火焰暴露下的垂直可燃性试验照片。g）显示表面炭层的燃烧后SEM图像。h）U 0和U3的HRR曲线。i）U3阻燃机理的示意图。j）1）纯CS气凝胶（U 0）和m）CS/PMS气凝胶（U3）的散射效率在0.3至2.5 μm的波长范围内作为孔径的函数。

图4.气凝胶复合材料的结构表征和热物理性质。a）CS/h-BN气凝胶结构的示意图。横截面SEM图像显示了CS/h-BN气凝胶在B）轴向和c）径向取向上的各向异性多孔结构。d）气凝胶基质及其相应的C18复合物在轴向和径向方向上的比较热导率。e）SEM图像显示了C18在CS/h-BN气凝胶基质内的均匀分布。f）DSC热分析图量化了CS/h-BN的相变行为。g）比较纯C18、CS/h-BN气凝胶和CS/h-BN@C18复合材料的结晶度的XRD图案。h）涂覆有EP/EG功能层的CS/h-BN@C18复合材料的设计示意图。和i4）L3，其显示EP/EG涂层的表面形态随EG含量增加的演变。j）（S 0）C18，（S1）CS/h-BN@C18，（S2）L0，（S3）L1、（S4）L2和（S5）L3，在60 °C等温加热下通过延时摄影监测。k）L0-L3的波长相关吸收光谱（左）和计算的平均吸收率值（右）。

图5. Janus气凝胶/PCM复合材料的温度调节性能。a）用于评估模拟太阳辐射下的温度调节的实验装置。B）U3-R/L2-A双层结构的示意图，示出了其辐射冷却上层（U3-R）和太阳能加热下层（L2-A）。c）具有不同厚度比的U3-R/L2-A的亚环境温度演变（上层/下层）在6小时模拟阳光照射期间（1000 W/m²）和随后6 h冰袋冷却而无阳光照射。d）在相同的照射/冰袋冷却循环下，具有和不具有C18 PCM的U3-R/L2-A复合材料的对比亚环境温度演变曲线，突出C18的相变缓冲作用。e1）U3-R/L2-A的红外热图像和示意图（径向孔取向）和e2）U3-A/L2-A（轴向孔取向）照射30分钟后，f）U3-R/L2 A和g）U3-A/L2-A在指定表面位置（M1-M4）的温度演变曲线。h）用于比较研究的倒置双层结构（L2-A/U3-R）的示意图i）在6小时照射和随后6小时冰袋冷却下，在没有阳光照射的情况下，具有不同厚度比的L2-A/U3-R的低于环境温度的演变。j）在相同的辐照/冰袋冷却循环下，具有和不具有C18 PCM的L2-A/U3-R的低于环境温度的温度演变曲线，强调相变介导的热调节。在30分钟照射后，具有和k2）不具有h-BN填料的L2-A/U3-R k1）的红外热图像和示意性结构。在具有和m）的L2-A/U3-R l）的标记位置处的温度演变曲线。照射期间不含h-BN。

图6. a）室外辐射冷却评估实验装置的数字照片和示意结构。B）从06：00到22：00的太阳强度和相对湿度变化。00环境条件周期（2024年10月11日，中国北京）。c）具有和不具有C18的U3-R/L2-A的亚环境温度演变以及环境温度演变（2024年10月11日，中国北京）d）U3-R/L2-A样品亚环境温度与环境温度之间的温差（2024年10月11日，北京，e）本研究中的最大温差与文献中报道的最大温差的比较。f）室外太阳能加热评估实验装置的数字照片和示意图。g）具有和不具有C18的L2-A/U3-R的亚环境温度演变和环境温度（2024年12月01日，中国北京）。h）L2-A/U3-R样品的亚环境温度与环境温度之间的温差（2024年12月01日，中国北京）。

图7. U3-R/L2-A系统的性能分析。白天计算的净冷却功率（环境温度：298 K）a）不含和B）含C18，在不同的非辐射传热系数下。（环境温度：298 K）c）无和d）有C18。e）每月冷却/北京基准建筑物与配备U3-R/L2-A的建筑物相比的供暖能耗和节能。f）基准建筑物与配备U3-R/L2-A的建筑物相比，g）区域供冷的夏季总供冷能耗和h）区域供热的冬季总供热能耗，比较中国15个城市使用Janus气凝胶/PCM复合材料的建筑物（U3-R/L2-A）安装在基准建筑物的外屋顶/墙壁上。每年全国范围内安装U3-R/L2-A的建筑物的节能潜力：i）冷却节能，j）加热节能，和k）总节能。