随着全球碳中和进程的推进，被动辐射冷却（PRC）技术因其能够在不消耗任何电力的情况下将热量散发到极寒的外太空而实现节能，从而引起了极大的关注。尽管在调整PRC的光谱特性方面已取得一些进展，但制造高效且低成本的建筑节能冷却器仍然是一项重大挑战。
近日，东南大学周钰明教授和南京工程学院卜小海副教授团队合作在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Spectrally selective and thermally insulating hybrid nanofiber aerogel coolers for building energy conservation”。研究者结合静电纺丝和冷冻干燥技术，制备出一种由串珠状结构静电纺纳米纤维组成的杂化纳米纤维气凝胶冷却器（HNFA），通过在同一设计中结合辐射冷却和隔热功能，实现全天候、全区域的节能。本论文第一作者为东南大学化学化工学院研究生刘艳梅博士。
HNFA的制备流程如图1所示。通过控制正硅酸乙酯（TEOS）的水解和缩聚时间，使静电纺丝过程制备出含有串珠结构的杂化纳米纺丝膜（HNFM）；再将HNFM切碎并在水中均质化，形成稳定的短纳米纤维分散液，进一步冷冻干燥，获得具有超轻质特性（ρ=0.008 ± 0.002 g cm-3）的HNFA。SEM图像显示HNFA具有含初级孔（200-700 nm）和次级孔（8-120 μm）的分级多孔结构。
图1：HNFA的制备流程图及形貌表征。
图2中的红外、XPS证实了二氧化硅与醋酸纤维素（CA）在HNFA中的成功杂化。HNFA在1230 cm-1处峰强度的增加证明了C-F键的引入。热重分析（TGA）曲线表明，HNFA的初始分解温度和残炭量均高于CNFA，这表明二氧化硅的杂化提高了气凝胶的热稳定性，同时赋予了HNFA卓越的自清洁性能。此外，HNFA的超高孔隙率（99%）和极低的导热系数（0.0285 W (m K)-1）使其具有优异的隔热性能。
图2：气凝胶的特性表征。
图3显示，气凝胶内部多孔结构产生的界面反射和米氏散射使HNFA具有高平均太阳反射率（0.974），丰富的Si-O-Si、Si-O-C、C-O-C和C-F键使HNFA具有高中红外发射率（0.985）。此外，纳米纤维中随机分布的二氧化硅粒子产生的声子增强弗罗利希共振也有助于提高大气窗口红外发射率。当置于屋顶下暴露于阳光下时，HNFA的表面温度比屋顶低约20 °C，在120分钟的实验过程中温度仅上升约3.6 °C，这进一步证明了HNFA卓越的光谱选择性。
图3：气凝胶冷却器的光谱选择性。
图4对比了HNFM、CNFA、HNFA三种冷却器的户外PRC性能。从图中可以看出，HNFA和CNFA的平均冷却温度均高于HNFM，这表明气凝胶固有的隔热性能对维持内部温度的持续下降有促进作用。其中，HNFA获得最大的平均冷却温度，在白天和夜晚的分别高达8.24 °C和7.41 °C。
图4：冷却器的户外PRC测试。
图5可见，纳米纤维构成的柔性壁组成的分级多孔结构使HNFA在变形下表现出良好的机械性能和优异的稳定性，展现出显著的抗疲劳性。
图5：气凝胶冷却器的耐用性。
图6：气凝胶冷却器全年建筑节能量。
现有的PRC设计主要侧重于增强炎热天气下的冷却效果，但寒冷天气下的过度冷却也可能导致供暖能耗显著增加。图6使用EnergyPlus模拟了将HNFA作为屋顶/墙体围护结构前后建筑的全年能耗，证实了HNFA具有巨大的节能潜力。同时为了验证隔热对节能的影响，在两个模型中开发了导热板替换HNFA。结果表明，薄型冷却器在成本效益方面更具优势，适合热带地区使用，而厚型冷却器由于隔热能力提高，在温带和寒带地区具有显著优势。因此只需通过调节气凝胶的厚度，就可以灵活地从PRC节能模式切换到保温节能模式，从而实现按需的区域适应性和调节。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.002
人物简介：
周钰明教授，东南大学博士生导师，江苏省光电功能材料工程研究中心主任、江苏省复合涂层功能膜材料与技术重点实验室副主任、东南大学精细化工研究所所长、东南大学红太阳智慧工业研究中心主任，教育部首批“新世纪优秀人才”和“高等学校骨干教师”、江苏省“六大人才高峰”（A类）、江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人、南京“科技顶尖专家集聚计划”人才。发表SCI论文200余篇，获得国家发明专利授权50余件。主持国家自然科学基金（7项）、江苏省重大科技成果转化项目、江苏省重点研发项目、江苏省产学研前瞻性联合研究项目、省工业科技支撑、省高技术、省自然科学基金等省部级项目。
卜小海副教授，南京工程学院硕士生导师。江苏省科协青年科技人才托举工程、江苏省博士后科研资助计划资助对象。主持多项国家自然科学基金、省高等学校自然科学研究面上项目、省前沿技术研究计划、省重点研发计划、省重大科技成果转化项目及产学研合作项目，获江苏省科学技术二等奖1项、三等奖2项，浙江省科技进步二等奖1项、三等奖1项。在Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Solar Energy Materials and Solar Cells等期刊上发表研究论文20余篇，授权发明专利10余件。
