来源 | Nano-Micro Letters

链接 | https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120256

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背景介绍

随着全球变暖与能源需求增长，被动冷却技术因其无电能消耗的优势成为研究热点。传统蒸发冷却材料(如吸湿性水凝胶)利用水分蒸发实现降温，但日间太阳辐射与环境热增益显著削弱其亚环境冷却效果。现有策略虽然可以利用隔热层降低辐射冷却层的热增益，但由于传热和传质(液态及气态水)的高度耦合，在隔热的同时亦增加了水汽扩散的阻力，难以兼顾实际应用中高冷却功率与水再生的需求。

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成果掠影

近日，香港理工大学沈曦团队开发了一种各向异性、协同隔热-辐射-蒸发(ASPIRE)的水凝胶冷却器，用于全天候、水自给和可持续的被动式亚环境冷却。ASPIRE冷却器是一个内外双取向结构的吸湿性水凝胶，模仿人体皮肤汗腺-毛发结构，以实现热(包括辐射和传导)和水(包括液体和蒸汽)的协调输运。在阳光直射下实现约 8.2 °C 的平均冷却温度，冷却功率高达311 W/m²。进一步研究冷却机制表明，ASPIRE 冷却器在不影响蒸发的情况下降低了太阳辐射和环境热量增益。此外，无论晴天还是阴天，通过夜间水的自再生，都可以实现持续多日的连续制冷。本工作的协同设计为高功率、可持续和全天候被动冷却应用提供了新的思路。研究成果以“Anisotropic Hygroscopic Hydrogels with Synergistic Insulation-Radiation-Evaporation for High-Power and Self-Sustained Passive Daytime Cooling”为题发表在《Nano-Micro Letters》期刊。

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图文导读

图1.受皮肤结构启发的 ASPIRE 冷却器的设计原理。

图2.ASPIRE冷却器的制备与结构表征。(a)内外取向结构的制备过程；(b) ASPIRE冷却器的照片；(c) 内外层之间的强界面粘附；(d, e) 外层气凝胶层的表面与截面SEM图像；(f, g) 内层水凝胶层的表面与截面SEM图像。

图3.V-PVA-LiCl水凝胶的水蒸发与再生性能。(a) V-PVA-LiCl 水凝胶比(b)随机多孔水凝胶中液体和蒸汽传输更好的机制；(c) 在 40 °C 和 40% RH 下测量的 V-PVA-LiCl 和R -PVA-LiCl 水凝胶的质量变化模型和实验结果；(d) 在相同的湿度 40% RH 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率。(e) 在相同的温度 40 °C 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率；(f) 在连续蒸发(40 °C，40% RH)和再生(25 °C，80% RH)期间测量的V -PVA-LiCl 和 R-PVA-LiCl 水凝胶的质量变化。

图4.VBN/XCP气凝胶的辐射、导热和蒸汽传输特性。(a) XCP和VBN/XCP气凝胶的太阳和LWIR吸收光谱；(b) CP、XCP和 VBN/XCP气凝胶的 FTIR光谱。(c) XCP和 VBN/XCP气凝胶的 SEM 图像；(d) 不同h-BN负载量的 VBN/XCP气凝胶的太阳加权反射率和热导率；(e) 对比有无 MTMS交联的 VBN/CP 气凝胶的润湿状态与水接触角；(f) 热台和 VBN/XCP气凝胶表面之间的温差与台面温度的关系图。插图显示了温度为 60 °C 的热台上 VBN/XCP气凝胶的红外图像；(g) VBN/XCP气凝胶与其他常见辐射冷却或隔热材料的主要性能比较；(h)具有不同厚度 VBN/XCP气凝胶的 ASPIRE 冷却器在 40 °C和 40% RH下蒸发时的温度；(i) 在 40 °C和 40% RH下测量V-PVA-LiCl水凝胶(无气凝胶覆盖)和覆盖不同气凝胶时的质量变化。

图5.ASPIRE冷却器的亚环境冷却性能和协同隔热–辐射–蒸发冷却机制。(a) 用于测量户外测试中冷却性能的实验装置示意图和照片；(b) 测试期间的太阳光强度和湿度曲线；(c) 测试期间的亚环境冷却温度ΔT；(d) 测试期间ASPIRE冷却器、辐射冷却器(即 VBN/XCP 气凝胶)、蒸发冷却器(即 V-PVA-LiCl水凝胶)和环境的温度以及ASPIRE冷却器的质量变化；(e) 蒸发和辐射冷却功率对ASPIRE冷却器总冷却功率的贡献；(f) 各种冷却机制对ASPIRE、辐射和蒸发冷却器总冷却功率的贡献；(g) 不同日照强度下 ASPIRE冷却器与其他冷却器的被动冷却功率比较。

图6.ASPIRE 冷却器的全天候、自持续多日冷却性能。(a) 进行室外冷却性能测试时阴天(2023年9月4日，中国香港)的日照与湿度数据。插图显示了测试期间拍摄的阴天照片；(b) 三个冷却器的温度和(c) 低于环境温度的冷却温度(ΔT)；(d) 2023年9月19日至21日在中国香港进行48小时连续测试期间的日照与湿度数据；(e) 连续48小时测试ASPIRE冷却器和环境温度的变化。