来源 | Nano-Micro Letters

链接 | https://doi.org/10.1007/s40820-025-01903-0.

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背景介绍

将辐射冷却（RC）与蒸发冷却（EC）相结合形成的辐射蒸发冷却（REC）技术，通过协同利用高太阳反射率、热发射率和潜热释放特性，显著提升了日间冷却性能。近期研究主要集中于低于环境温度的REC应用，该技术可比纯RC实现约3.3°C的温降。然而针对高于环境温度的散热应用研究却鲜有关注，且在此高温工作条件下的被动供水也是一大挑战。当前亟需开发适用于高温散热场景的REC技术，以提升其在高工作温度下的稳定性。

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成果掠影

近日，中南大学陈梅洁教授团队介绍了一种基于一体化光子水凝胶的REC设计，用于高于环境的散热和阻燃。不同于传统设计的RC薄膜散热，具有有限的冷却能力和火灾风险，REC水凝胶可以大大提高白天高工作量的散热性能，在室外实验中，相同条件下的温度比RC膜低12.0 °C。在工作负荷较低的夜间，RC辅助吸附可以提高大气集水能力，保证白天的EC。此外，REC水凝胶通过吸收热量而不产生相应的温度升高，从而显著增强了阻燃性，从而降低了火灾风险。设计为户外设备的热管理提供了一种有前途的解决方案，在散热和阻燃方面都具有出色的性能。研究成果以“Radiative Coupled Evaporation Cooling Hydrogel for Above‑Ambient Heat Dissipation and Flame Retardancy”为题发表在《Nano-Micro Letters》期刊。

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图文导读

图1.REC水凝胶的工作原理。a传统的高分子RC薄膜用于高于环境的散热，容易在燃点点燃，导致冷却性能减弱。b一体式REC水凝胶用于高于环境的散热。在工作量大的白天，REC在高环境温度（Tamb）和低相对湿度（RH）下最大限度地提高被动散热性能在低工作负荷的夜间，可以通过RC辅助吸附从大气中收集水，用于低Tamb和高RH下的水循环。

图2.基于辐射蒸发冷却（REC）的散热性能理论分析。a) RC与REC的热流示意图。理想RC与REC在 .b)不同对流系数hc（环境温度Tamb=35°C、相对湿度RH=30%、加热功率Pheating=1000 W/m²）及c)不同Pheating（Tamb=35°C、RH=30%、hc=8W/m² K）条件下的温度变化。d) 理想REC系统中不同加热功率下潜热功率（Platent）与辐射冷却功率（Prad—Patm）的详细分布（Tamb=35°C、RH=30%、hc=8 W/m² K）。e) 不同太阳反射率下REC的温度变化（Tamb=25°C、RH=30%、hc=8 W/m² K、Pheating=1000 W/m²）。f) 不同LiCl质量分数下REC的质量与温度变化（Tamb=25°C、RH=30%、hc=8W/m² K、Pheating=1000  W/m²）。本文中理想RC与REC系统具有近乎完美的太阳反射率（反射率=1，波长λ = 0.3–2.5 µm）和中红外热发射率（热发射率=1，波长λ > 2.5 µm），且其气-液相变潜热与纯水相等。

图3.一体化REC水凝胶的表征。用于REC的一体化水凝胶的示意图，包括聚合物链、分散的hBN、Al 2O3颗粒，和吸附剂LiCl。B REC水凝胶顶面的光学和扫描电子显微镜（SEM）图像。c水含量为5重量%的REC水凝胶的光谱反射率。背景是归一化的太阳辐照度（黄色）。d REC水凝胶的热重分析（TGA）曲线。e REC水凝胶中纯水和水的差示扫描量热法（DSC）曲线，以评估潜热。f REC水凝胶附着到不同基底（包括玻璃、铁、木材和铝）的光学图像.

图4.REC水凝胶室内散热性能a温度变化和B质量变化（通过浸泡在4 M LiCl溶液中，具有吸附剂LiCl），纯REC水凝胶（不含LiCl，通过浸泡在纯水中）和纯加热器基板（RH= 30%，Tamb=25 ℃，Pheating=510 W/m²，厚度d=6 mm）。（RH= 30%，Tamb=25 °C，mLiCl=4 M，和Pheating=720 W/m²）. e REC水凝胶在不同加热功率Pheating下的温度和f质量变化（RH= 30%，Tamb=25 °C，d=6 mm，和mLiCl=4 M）。

图5.室内水捕获和循环性能。REC水凝胶在不同a TamB、B RH和c预热下的质量变化（典型参数：RH= 60%，Tamb=25 °C，在低工作负荷的夜间，Pheating=100 W/m²）。d在15个高工作负荷循环下REC水凝胶的质量和温度变化（Pheating=1020 W/m²，1 h）和低工作负荷（Pheating=100 W/m²，1 h），以评估其长期稳定性，其中RH=50%，Tamb=25 °C。

图6.REC水凝胶的阻燃性能。a REC水凝胶的阻燃示意图，以及b普通聚合物RC膜，和c在同一酒精灯火焰下它们的实时温度变化。d REC水凝胶的红外图像（厚度6 mm）在酒精灯的相同火焰下。e普通聚合物RC膜和f REC水凝胶在火焰下的光学图像。g REC水凝胶与木材基材在火焰下以不同的水凝胶厚度持续1200 s。

图7.REC水凝胶的室外散热性能。a REC水凝胶、RC涂料和纯加热器基底的实时温度，以及B在白天高工作负荷时它们与基底的温差（Pheating=1020 W/m²），包括太阳强度、相对湿度和环境温度。c REC水凝胶、RC涂料、以加热器基板为基准，在夜间低工作负荷时，（Pheating=100 W/m²）2025-0103. e REC水凝胶的连续全天循环性能（初始含水量为10%）、RC涂料和纯加热器基材，从2025年1月11日至2025年1月12日持续三天（白天高工作负荷时的Pheating=1020 W/m²，夜间低工作负荷时的Pheating=100 W/m²），包括太阳强度、RH和环境温度。