一种用于节能建筑和人体热管理的辐射制冷的纤维素材料

热管理博览会 2023年6月15日浏览：1352

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背景介绍

随着全球气候变化和能源危机的加剧，到2050年实现碳中和无疑是世界最迫切的任务。建筑可以在全球低碳转型中发挥关键作用，因为2018年建筑能耗占总能耗的30-40%，其中约50%的建筑能耗用于采暖、通风和空调。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。在这种背景下由于辐射冷却材料可以自发地将热辐射散发到寒冷的外层空间的优越能力而成为目前研究的焦点。

最近开发了一系列先进的功能材料和复杂的策略，通过在亚波长尺度上操纵光-物质相互作用来促进被动、高效和可持续的辐射冷却性能或先进的热管理。但是需要注意的是，这些辐射冷却材料和结构都是光学静态的，无论环境变化如何，它们通常都是作为一种冷却方式发挥作用。人们非常希望开发出能够根据需要在冷却和加热模式之间动态切换的先进辐射冷却材料。

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。

成果掠影

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。该团队报道了生物合成细菌纤维素(BC)基辐射冷却(Bio-RC)材料的设计和规模化制造，该材料具有可切换的太阳透射率。该材料是通过在原位培养过程中将二氧化硅微球与连续分泌的纤维素纳米纤维缠结而开发的。由此产生的薄膜显示出很高的太阳反射(95.3%)，在湿润时可以很容易地在不透明状态和透明状态之间切换。值得关注的是，Bio-RC薄膜具有较高的中红外发射率(93.4%)和正午时平均亚环境温度下降≈3.7°C。当与市售的半透明太阳能电池集成时，Bio-RC薄膜的可切换太阳能透射率可以提高太阳能转换效率(不透明状态:0.92%，透明状态:0.57%，裸太阳能电池:0.33%)。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。相关研究成果以“Scalable Bacterial Cellulose-Based Radiative Cooling Materials with Switchable Transparency for Thermal Management and Enhanced Solar Energy Harvesting”为题发表于《Small》。