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  在全球能源危機與“雙碳”戰(zhàn)略背景下，輻射冷卻和光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)作為可持續(xù)、無污染的技術(shù)受到廣泛關(guān)注。近年來，研究人員提出開發(fā)具有季節(jié)自適應(yīng)能力的Janus結(jié)構(gòu)熱管理裝置，通過冷卻/加熱雙模式動態(tài)切換實現(xiàn)全年溫度調(diào)控，有效解決了傳統(tǒng)靜態(tài)冷卻模式與季節(jié)動態(tài)變化之間的矛盾。如何同時實現(xiàn)高效日間冷卻和晝夜溫度平衡調(diào)控仍然是輻射冷卻領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)之一。

  近期，北京化工大學(xué)汪曉東教授、劉歡副教授團隊報道了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的Janus氣凝膠/相變材料復(fù)合體系，通過相變材料耦合實現(xiàn)了高效的輻射冷卻和太陽能加熱。該研究將輻射冷卻、光熱轉(zhuǎn)化、相變儲能三種效應(yīng)集為一體，制備了具有全天候季節(jié)自適應(yīng)溫度調(diào)控作用的Janus結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并通過各向異性結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化不同功能層的熱傳導(dǎo)特性，在提升相變材料溫度響應(yīng)速率的同時，有效抑制熱傳導(dǎo)/熱對流對亞環(huán)境溫度的干擾。

  該研究成果以“Weather-Adaptive Janus Aerogel Integrated with Phase Change Materials Enables Dual-Mode Thermal Regulation via Radiative Cooling and Solar Heating”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》。論文的共同第一作者為北京化工大學(xué)材料學(xué)院碩士生劉旺旺、董雨濛，通訊作者為汪曉東教授和劉歡副教授。該課題得到了北京市自然科學(xué)基金的資助。

  該研究通過定向冷凍及冷凍干燥制備了具有各向異性結(jié)構(gòu)的殼聚糖（CS）/聚甲基硅氧烷（PMS）氣凝膠。該氣凝膠在垂直于孔道的徑向表現(xiàn)出0.038 W·m^–1·K^–1的低熱導(dǎo)率，同時兼具太陽輻射波段91.49%的高反射率以及大氣窗口波段94.09%的高發(fā)射率。通過真空浸漬工藝將十八烷（C₁₈）相變材料填充在各向異性CS/六方氮化硼（h-BN）氣凝膠的孔隙中，得到具有定向?qū)嵬返?/span>CS/h-BN@C₁₈相變復(fù)合材料。h-BN沿氣凝膠骨架定向排列，致使CS/h-BN@C₁₈相變復(fù)合材料在平行于孔道的軸向表現(xiàn)出1.102 W·m^–1·K^–1的高熱導(dǎo)率。此外，CS/h-BN@C₁₈相變復(fù)合材料具有170 J·g^–1以上的高潛熱焓值以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。通過環(huán)氧樹脂（EP）/可膨脹石墨（EG）涂層封裝CS/h-BN@C₁₈相變復(fù)合材料得到CS/h-BN@C₁₈@EP/EG復(fù)合材料。結(jié)果表明，EP/EG涂層進一步降低了相變復(fù)合材料的泄漏率，同時賦予其在太陽輻射波段95.98%的高吸收率，能夠高效地進行光熱轉(zhuǎn)化作用。

圖1 雙層結(jié)構(gòu)Janus氣凝膠/PCM復(fù)合材料的設(shè)計和工作原理

  圖1展示了雙層結(jié)構(gòu)Janus氣凝膠/相變材料（PCM）復(fù)合材料的設(shè)計和工作原理。a）復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖，突出了與PCM集成的輻射冷卻層（頂部）和太陽能加熱層（底部）的關(guān)鍵特征。b）展示不同環(huán)境條件下雙模功能的操作機制：輻射制冷（白天/夏季）和太陽能供暖（白天/冬季）。c） 熱能調(diào)節(jié)過程，顯示PCM介導(dǎo)的能量儲存（吸熱）和釋放（散熱）以實現(xiàn)溫度穩(wěn)定。輻射冷卻層由聚甲基硅氧烷（PMS）改性的殼聚糖（CS）氣凝膠組成，具有低導(dǎo)熱性（0.038 W m^?1 K^?1）、疏水性、阻燃性、高太陽反射率（91.49%）和高紅外發(fā)射率（94.09%）。太陽能加熱層是通過用正十八烷（C18）PCM浸漬CS/六方氮化硼（h-BN）復(fù)合氣凝膠并用環(huán)氧樹脂（EP）/膨脹石墨（EG）復(fù)合材料涂覆而制備的。該層具有高導(dǎo)熱性（1.102 W m?1 K^?1）、大潛熱容量（174.2 J g^?1）、可逆相變、強太陽能吸收（95.98%）和優(yōu)異的防泄漏性能。

圖2 CS/PMS氣凝膠的軸向/徑向結(jié)構(gòu)表征和實物圖

  圖2展示了CS/PMS復(fù)合氣凝膠的微觀形貌與實物圖，可以看到復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出各向異性孔隙率，沿其軸向和徑向橫截面具有明顯的結(jié)構(gòu)特征。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示，純CS氣凝膠在軸向和徑向方向上都顯示出多層垂直堆疊的結(jié)構(gòu)。加入PMS后，軸向平面形成了不均勻的孔隙分，而徑向取向保持了其分層結(jié)構(gòu)，但隨著PMS含量的增加，層間間距減小。這種結(jié)構(gòu)演變歸因于CS基質(zhì)和PMS微球之間的氫鍵相互作用，PMS微球是通過甲基三甲氧基硅烷（MTMS）水解形成的。這些相互作用增強了CS骨架內(nèi)的交聯(lián)，從而壓縮了層間間隙。同時，PMS微球的尺寸與太陽波長（≈0.3-2.5μm）相當(dāng)，通過米氏散射增強了陽光反射率。此外，PMS含量的增加減少了冷凍干燥過程中的殘留水，促進了CS骨架的緊密堆積，并產(chǎn)生了更致密的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

圖3 雙層結(jié)構(gòu)Janus氣凝膠/PCM復(fù)合材料系統(tǒng)的性能分析

  圖3通過理論計算和建筑能耗模擬，評估了 Janus 氣凝膠/PCM 復(fù)合材料的節(jié)能潛力。如圖3（a、b）所示，未復(fù)合C₁₈相變材料的復(fù)合材料在日間和夜間的凈冷卻功率分別為59.3 W·m^–2、111.1 W·m^–2，夜間的凈冷卻功率明顯高于日間的凈冷卻功率，該現(xiàn)象歸因于復(fù)合材料在日間所吸收的太陽輻射會削弱相應(yīng)的冷卻性能。然而，夜間過高的凈冷卻功率可能會導(dǎo)致過冷現(xiàn)象的產(chǎn)生，不利于維持人體舒適的亞環(huán)境溫度。相比之下，圖3（c、d）顯示復(fù)合材料在日間和夜間的凈冷卻功率分別為81.6 W·m^–2、88.9 W·m^–2，表明相變材料能夠有效通過熔融相變吸熱來增強復(fù)合材料的日間輻射冷卻性能，而在夜間則通過結(jié)晶相變放熱以削弱復(fù)合材料的夜間輻射冷卻性能。

  此外，該研究通過EnergyPlus驗證了Janus結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在不同氣候區(qū)的普適性節(jié)能效果，為建筑節(jié)能材料的應(yīng)用提供了重要理論支撐。由于全國不同地區(qū)存在氣候差異，因此不同城市的制冷和供暖月份有所不同。不同地區(qū)的建筑制冷能耗存在較大差異，并且將Janus結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為建筑維護結(jié)構(gòu)時，其建筑節(jié)能量隨著建筑能耗的增加而增加。結(jié)果表明，全國15個地區(qū)建筑制冷平均節(jié)能比為23.38%、制冷平均節(jié)能量為6.05 MJ·m^–2；其中，處于熱帶季風(fēng)氣候的三亞全年的建筑制冷能耗最高可達(dá)95.62 MJ·m^–2，對應(yīng)11.74 MJ·m^–2的最大節(jié)能量，表明該材料在制冷模式下具有良好的制冷性能。此外，全國15個地區(qū)建筑供暖平均節(jié)能比為15.33%、供暖平均節(jié)能量為8.03 MJ·m^–2。由此表明Janus結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在供暖模式下的節(jié)能效應(yīng)同樣顯著。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202513665