近日，我校新型纤维与非织造材料创新团队在被动辐射制冷与低能耗热管理领域取得重要进展。研究成果以《Hierarchical SiO₂@Cellulose Nanofiber Aerogels With Synergistic Optical–Thermal Regulation for High-Performance Passive Cooling》为题，发表在《Advanced Materials》上。天津工业大学为论文第一完成单位和第一通讯单位，我校纺织科学与工程学院博士生殷轩为第一作者；天津科技大学程博闻院士、我校庄旭品教授为共同通讯作者。

被动辐射制冷通过反射太阳辐射，并利用8–13 μm大气窗口向外辐射热量，可在无需额外能源输入的条件下实现降温，是建筑节能和冷链热管理的重要技术路径。然而，高太阳反射和高中红外发射并不必然带来理想的实际制冷效果，环境热传导和热对流产生的寄生热增益会显著削弱净制冷能力。因此，如何在增强辐射散热的同时抑制非辐射热输入，是提升实际被动制冷性能的关键。

图1、SiO₂@CNF气凝胶的构筑策略与分级结构。

a)SiO₂@CNF气凝胶的制备过程；b)高太阳反射、高中红外发射和低热导率协同作用的辐射制冷机制。

针对这一问题，团队提出可逆黄原酸化介导的界面调控与分级结构构筑策略。黄原酸化一方面通过静电排斥促进纤维素解纤，获得高长径比纤维素纳米纤维；另一方面调控纳米纤维表面的局部离子/水合环境，促进SiO₂在CNF界面优先生长。由此，直径约300 nm的SiO₂纳米球沿纳米纤维均匀排列，形成独特的“珍珠项链”状结构。进一步结合定向冰模板技术，构筑出具有取向层状孔道的分级多孔气凝胶，为光学调控与热传输抑制提供了跨尺度结构基础。

图2、CNFs与SiO₂@CNF气凝胶的制备与表征。

a)XCNF的悬浮液照片；b)TEM图像；c)直径分布；d)XPS全谱；e)SiO₂纳米球在XCNF上呈“珍珠项链”状排列的TEM图像；

f)XCNF/TEOS体系中Si(OH)₄界面缩合反应的势能曲线；g)分级多孔结构的SEM图像；h)超轻气凝胶实物展示；

i)TGA/DTG曲线；j)垂直燃烧测试照片。

这种跨尺度结构设计使不同尺度的结构单元协同参与光学调控和热传输抑制功能。SiO₂纳米球、CNF骨架及分级孔结构共同形成多尺度光散射网络，使优化气凝胶在0.3–2.5 μm太阳光谱范围内获得95.6%的平均反射率；纤维素C–O–C、Si–O–Si及界面Si–O–C等振动模式协同覆盖8–13 μm大气窗口，使其中红外平均发射率达到95.3%。与此同时，分级多孔网络有效限制固相和气相热传递，使材料在25℃下的热导率低至0.028 W·m⁻¹·K⁻¹。由此，材料在同一体系中实现了减少太阳热输入、增强中红外辐射散热与抑制环境非辐射热输入的协同。

图3、SiO₂@CNF气凝胶的光谱调控与隔热性能。

a)太阳反射光谱及AM 1.5G太阳光谱；b)多尺度光散射机制示意图；c₁)中红外发射率光谱及大气窗口；

c₂)8-13 μm 区域的放大图；d)25℃和100℃的热导率；e)100℃热台上的红外热像图；f)动态升温–降温曲线；

g)CNF气凝胶、SiO₂@CNFA-3与商业羽绒保温材料的实物及红外热像图；h)100℃与−95℃之间的双向热循环；

i)热传输抑制机制示意图。

为验证上述光—热协同机制能否真正转化为实际制冷性能，团队进一步开展了户外测试。在高太阳辐照条件下，SiO₂@CNFA-3上表面温度为40.6℃，相对于裸铜板最大降低7.2℃；下表面温度进一步降至35.8℃，上下表面温差达到4.8 ℃，相对于裸铜板的总温降达到12.1 ℃。值得注意的是，具有相近组成和光学性能的致密SiO₂@CNF薄膜上下表面温差仅为2.2℃。这一对照表明，仅提高太阳反射和中红外发射并不足以获得最佳实际制冷效果，对非辐射热输入的有效阻隔同样至关重要。

图4、SiO₂@CNF气凝胶的户外被动制冷性能及光—热协同机制。

a)实验装置示意图；b)户外测试装置；c)太阳辐照下的上表面温度；d)相对于裸铜板的温降；e)下表面温度；

f)下表面温降及上下表面温差；g)SiO₂@CNFA-3、致密SiO₂@CNF薄膜和CNF气凝胶的光热协同制冷机制对比。

在此基础上，团队进一步制备了大尺寸样品，并用于商用便携式冰箱的热管理。在约1000 W·m⁻²太阳辐照下，材料实现平均3.7℃的亚环境冷却，相较聚苯乙烯泡沫获得24.9℃的净温降。在−4～4℃制冷热循环测试中，平均循环周期由18.4min延长至27.1min，提升47.3%。热循环周期的显著延长表明，该材料能够有效抑制环境热侵入并增强冷量保持，为降低制冷系统热负荷提供了实验依据。

图5、SiO₂@CNF气凝胶的大面积制备及制冷应用验证。

a)大面积SiO₂@CNFA-3样品照片；b)实验装置示意图；c)户外测试装置；d,e)上表面温度及制冷性能；

f,g)下表面温度及温差；h)压缩机在−4和4°C 之间切换时的热循环行为；i)平均循环周期对比。

该研究通过界面调控与分级结构设计，将太阳光反射、中红外辐射和非辐射热传递抑制集成于同一纤维素基气凝胶体系，为高效被动辐射制冷材料的结构设计提供了新的思路，为其在建筑节能、冷链热管理等领域的应用奠定了基础。

（审稿：纺织科学与工程学院 刘雍 编辑：党委宣传部 李焕峰）

图片来源：纺织科学与工程学院