随着全球气温升高、工业迅速发展和人口数量不断膨胀剧增，近年来全球用于制冷的能源消耗不断增加。传统的蒸汽压缩冷却策略，比如空调的制冷消耗了大量的化石燃料发电，导致碳排放增加，进一步使全球气候恶化。辐射冷却能够以热辐射的形式将地球的热量传递到外太空，无需任何能量输入的条件下，在日间通过最小化太阳能吸收实现了低于环境温度的降温效果，这种零能高效的降温方式为节能建筑、人体热管理和太阳能电池热管理等领域的发展提供新的策略和机遇。近年来，科学家在辐射冷却材料的设计和制备方面取得许多重要进展，然而，大多数辐射冷却材料都是光学静态的，无法适应环境变化，比如在寒冷的冬季或者晚上，光学静态辐射冷却材料往往会造成过冷的现象，这种过冷现象会引起不必要的建筑能耗浪费。因此，辐射冷却材料的研究逐渐向自适应、多功能和规模化制备等领域发展。光学动态辐射冷却材料以辐射冷却技术为基础，在实现低于室温的冷却模式的同时充分利用太阳能赋予材料加热模式。这种光学动态辐射冷却材料可以通过电、热和机械力等刺激在冷却模式和加热模式之间任意切换。作为地球上最丰富的天然聚合物，纤维素存在于许多常见的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由细菌进行分泌合成。细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）是一种由细菌分泌合成的纤维素材料。同时，BC还具有可大规模制备和纯度高的特点，被广泛应用于智能电子、热管理和生物医药等领域。然而，细菌纤维素材料应用于辐射冷却领域存在大气窗口中红外发射率较低，限制了其在辐射冷却领域的应用。
近日，天津大学封伟教授、王玲教授团队通过原位生长技术成功开发了具有太阳光透过率可调特性的细菌纤维素基辐射冷却材料。该研究为智能辐射冷却材料的设计与制备提供了新思路，有望在节能建筑和人体热管理等领域获得重要应用。相关成果以题为“Scalable Bacterial Cellulose-Based Radiative Cooling Materials with Switchable Transparency for Thermal Management and Enhanced Solar Energy Harvesting”在国际权威期刊《Small》上发表。天津大学材料学院硕士生史书宽为论文第一作者，天津大学王玲教授和封伟教授为论文通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
内容简介
作者通过将具有特定尺寸的二氧化硅微球喷涂到细菌纤维素培养液表面，持续生长的纳米纤维将二氧化硅微球固定在薄膜表面，制备了具有异面结构的细菌纤维素基辐射冷却薄膜（Bio-RC）。值得一提的是，所制备的Bio-RC薄膜通过溶剂浸润后，能够从太阳光散射态（O-State）转化为太阳光透过态（T-State）。浸润前在太阳光范围内的透过率仅为4.7%，浸润后其透过率可达70%（图1）。Bio-RC薄膜的散射态不仅能够反射95.3%的太阳光，而且在大气窗口还有高达93.4%的中红外发射率（纯细菌纤维素约为83%）。为了验证Bio-RC薄膜的辐射冷却特性，作者在天津进行了24小时的连续温度测试。中午条件下，太阳辐射强度为647W/m2，相对平均湿度为41%，中午风速约为 1.5 m/s，Bio-RC薄膜能够实现低于室温3.7 ℃的降温。当薄膜保持透明状态时，在相同条件下薄膜能够实现高于环境温度约3.8 ℃的加热。
图1.细菌纤维素基辐射冷却薄膜的制备和太阳光透过率调控性能。
图2. 细菌纤维素基辐射冷却薄膜的辐射冷却性能。
作者进一步探究了Bio-RC薄膜的热绝缘性能，反射态Bio-RC薄膜的导热系数为0.033 Wm-1K-1，透过态Bio-RC薄膜的导热系数为0.2218 Wm-1K-1（图3）。值得一提的是，作者利用薄膜透过率的可调特性，将Bio-RC薄膜与商用半透明太阳能电池集成，赋予了半透明太阳能电池两种光学状态。当 Bio-RC薄膜处于散射态时，透过半透明太阳能电池的光会发生强烈散射，此时太阳能电池的能量转换效率可达0.92%；当Bio-RC 薄膜处于透过态时，太阳能电池的能量效率为0.57%。最后作者构建了基于Bio-RC薄膜和半透明太阳能电池的模型小屋，展示了其在建筑节能和智能热管理等领域的潜在应用（图4）。
图3. 细菌纤维素基辐射冷却薄膜的热绝缘性能。
图4. 细菌纤维素基辐射冷却薄膜与半透明太阳能电池集成应用展示。
总结展望
作者通过原位生长技术成功开发了具有太阳光透过率可调特性的细菌纤维素基辐射冷却材料，所制备的Bio-RC薄膜不仅能够反射95.3%的太阳光，而且在大气窗口还有高达93.4%的中红外发射率。通过溶剂浸润后，薄膜能够从太阳光散射态转化为太阳光透过态。浸润前在太阳光范围内的透过率仅为4.7%，浸润后其透过率可达70%。Bio-RC薄膜处于散射态时，能够实现低于室温3.7 ℃的降温。当薄膜保持透明状态时，在相同条件下薄膜能够实现高于环境温度约3.8 ℃的加热。除此以外，Bio-RC薄膜还具有一定的隔热性能，热导率为0.033 Wm-1K-1。作为概念性应用的验证，作者集成细菌纤维素基辐射冷却薄膜和半透明太阳能电池， Bio-RC薄膜不仅能够实现半透明太阳能电池转换效率的动态调控，还能够实现模型小屋的智能热管理。本研究为先进辐射冷却材料的设计与制备提供了全新思路，在辐射冷却、节能建筑和人体热管理等众多新兴领域均具有重要应用前景。
通讯作者简介
王玲，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家级优秀青年人才，天津市杰出青年基金获得者。主要致力于软物质智能材料、仿生智能材料和功能纳米材料的设计与制备及其在软体机器人、智能隐身、能源和安全等领域的应用研究（www.wanglinglab.com）。
封伟，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”， 天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。
文章信息：
Shukuan Shi, Pengfei Lv, Cristian Valenzuela, Binxuan Li, Yuan Liu, Ling Wang*, and Wei Feng*, Scalable Bacterial Cellulose-Based Radiative Cooling Materials with Switchable Transparency for Thermal Management and Enhanced Solar Energy Harvesting. Small, 2023, doi: 10.1002/smll.202301957.
全文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202301957
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
