一種用于節(jié)能建筑和人體熱管理的輻射制冷的纖維素材料

熱管理博覽會(huì)

2023年6月15日 09:24

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背景介紹

隨著全球氣候變化和能源危機(jī)的加劇，到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和無(wú)疑是世界最迫切的任務(wù)。建筑可以在全球低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因?yàn)?018年建筑能耗占總能耗的30-40%，其中約50%的建筑能耗用于采暖、通風(fēng)和空調(diào)。傳統(tǒng)的蒸汽壓縮冷卻策略，比如空調(diào)的制冷消耗了大量的化石燃料發(fā)電，導(dǎo)致碳排放增加，進(jìn)一步使全球氣候惡化。

輻射冷卻能夠以熱輻射的形式將地球的熱量傳遞到外太空，無(wú)需任何能量輸入的條件下，在日間通過(guò)最小化太陽(yáng)能吸收實(shí)現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的降溫效果，這種零能高效的降溫方式為節(jié)能建筑、人體熱管理和太陽(yáng)能電池?zé)峁芾淼阮I(lǐng)域的發(fā)展提供新的策略和機(jī)遇。在這種背景下由于輻射冷卻材料可以自發(fā)地將熱輻射散發(fā)到寒冷的外層空間的優(yōu)越能力而成為目前研究的焦點(diǎn)。

最近開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的功能材料和復(fù)雜的策略，通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度上操縱光-物質(zhì)相互作用來(lái)促進(jìn)被動(dòng)、高效和可持續(xù)的輻射冷卻性能或先進(jìn)的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結(jié)構(gòu)都是光學(xué)靜態(tài)的，無(wú)論環(huán)境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發(fā)揮作用。人們非常希望開(kāi)發(fā)出能夠根據(jù)需要在冷卻和加熱模式之間動(dòng)態(tài)切換的先進(jìn)輻射冷卻材料。

纖維素存在于許多常見(jiàn)的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由細(xì)菌進(jìn)行分泌合成。細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）是一種由細(xì)菌分泌合成的纖維素材料。同時(shí)，BC還具有可大規(guī)模制備和純度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能電子、熱管理和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而，細(xì)菌纖維素材料應(yīng)用于輻射冷卻領(lǐng)域存在大氣窗口中紅外發(fā)射率較低，限制了其在輻射冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用。

成果掠影

近日，天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位生長(zhǎng)技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了具有太陽(yáng)光透過(guò)率可調(diào)特性的細(xì)菌纖維素基輻射冷卻材料。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了生物合成細(xì)菌纖維素(BC)基輻射冷卻(Bio-RC)材料的設(shè)計(jì)和規(guī)模化制造，該材料具有可切換的太陽(yáng)透射率。該材料是通過(guò)在原位培養(yǎng)過(guò)程中將二氧化硅微球與連續(xù)分泌的纖維素納米纖維纏結(jié)而開(kāi)發(fā)的。由此產(chǎn)生的薄膜顯示出很高的太陽(yáng)反射(95.3%)，在濕潤(rùn)時(shí)可以很容易地在不透明狀態(tài)和透明狀態(tài)之間切換。值得關(guān)注的是，Bio-RC薄膜具有較高的中紅外發(fā)射率(93.4%)和正午時(shí)平均亞環(huán)境溫度下降≈3.7°C。當(dāng)與市售的半透明太陽(yáng)能電池集成時(shí)，Bio-RC薄膜的可切換太陽(yáng)能透射率可以提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率(不透明狀態(tài):0.92%，透明狀態(tài):0.57%，裸太陽(yáng)能電池:0.33%)。該研究為智能輻射冷卻材料的設(shè)計(jì)與制備提供了新思路，有望在節(jié)能建筑和人體熱管理等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Scalable Bacterial Cellulose-Based Radiative Cooling Materials with Switchable Transparency for Thermal Management and Enhanced Solar Energy Harvesting”為題發(fā)表于《Small》。