一种用于热管理的二氧化硅气凝胶设计与制备技术

来源 | Advanced Functional Materials

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背景介绍

气凝胶是一类纳米多孔材料，是最有前途的保温材料之一。其独特的结构使其具有高比表面积(SSA)、极高孔隙率、超低密度、低导热系数等特性，使气凝胶在建筑、航空航天、储能、气体检测、催化、吸附、传感器和热管理等领域工业领域得到了广泛的应用。硅基气凝胶因其导热系数低、热稳定性强而被广泛用作轻质保温材料，现已显示出巨大的商业价值，有助于减少碳排放。二氧化硅气凝胶是一种具有超低密度和导热性的多孔材料，因其优异的保温性能而越来越受到学术界和工业界的关注。二氧化硅气凝胶在绝热材料中的广泛应用是由于其超低导热系数。因此，太阳能加热和辐射冷却二氧化硅气凝胶可能在室外环境中发挥关键作用，二氧化硅气凝胶的低导热系数可能会严重阻碍传导和对流散热，但由于其白天的高透明度，太阳能加热可能会突出，而由于其在夜间的强大辐射冷却，其本身将成为冷却器，从而导致与传统认知相反的热管理行为。因此，如何自适应控制二氧化硅气凝胶的保温、太阳能加热和辐射冷却，以获得按需的二氧化硅气凝胶热管理行为仍然是一个挑战。

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成果掠影

近期，为了深入探索气凝胶的热管理性能，近日，中科院苏州纳米所李清文和王锦等人设计合成了系列具有不同光学性能（包括不同太阳光透过率和中远红外发射率）的氧化硅气凝胶，系统研究了自然环境下氧化硅气凝胶的热管理性能。当二氧化硅气凝胶用于热管理时，隔热始终是唯一的考虑因素。本研究揭示了二氧化硅气凝胶在不同环境下被动保温、被动加热或被动冷却的按需热管理(ODTM)。二氧化硅气凝胶的ODTM行为可以简单地通过其光学性质的变化来实现，例如太阳光透明度和红外发射率，这些变化可以通过构建块的微观结构和表面成分设计来控制。二氧化硅气凝胶的ODTM行为可以简单地通过其光学性质的变化来实现，例如太阳光透明度和红外发射率，这些变化可以通过构建块的微观结构和表面成分设计来控制。传统的透明二氧化硅气凝胶可以实现白天比环境温度高25℃的强劲太阳能加热和夜间7℃的低于环境的冷却。该研究指导了对二氧化硅气凝胶热管理行为的全面理解，并通过调整二氧化硅气凝胶的光学和导热性能，导致二氧化硅气凝胶的ODTM应用。研究成果以“Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management”为题发表于《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1.传统二氧化硅气凝胶的被动保温性能。

图2.二氧化硅气凝胶的被动式太阳能加热和PRC。

图3.二氧化硅气凝胶的太阳加热和PRC行为的原因和机理。

图4.二氧化硅气凝胶的ODTM处理策略。

图5.不同透明度和反射率二氧化硅气凝胶的ODTM性能。

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