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KAUST甘巧強(qiáng)教授 Nat. Commun.：“尿不濕”與水蒸氣 - 綠色環(huán)保的輻射-蒸發(fā)混合型制冷材料

2023-10-25 來源：高分子科技

全球氣溫上升，極端高溫事件對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)和人類的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。高溫天氣下，人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的需求迅速增加。然而，傳統(tǒng)的電力依賴型冷卻方法能耗巨大。因此，人們急需開發(fā)出高效的被動(dòng)冷卻技術(shù)。近年來，輻射制冷技術(shù)因其無需能源支持以及卓越的能源節(jié)省潛力備受矚目。該技術(shù)的基本原理是通過利用物體表面吸收太陽短波輻射的能力，將長(zhǎng)波紅外輻射釋放到極寒的外太空（僅3K），從而實(shí)現(xiàn)熱量散失和降溫效果。但是輻射制冷機(jī)制強(qiáng)烈依賴于環(huán)境條件。地面物體的熱輻射通常只能通過清潔干燥的大氣環(huán)境有效的輻射到外太空。因此，在多云、濕潤(rùn)、空氣污染環(huán)境中，輻射制冷并不能穩(wěn)定的發(fā)揮作用。因此我們還需要其他制冷技術(shù)協(xié)同工作來克服這一局限性。

在自然界中，水分的循環(huán)過程（包括蒸發(fā)、冷凝、降水和滲透）是另一種有效的冷卻機(jī)制。水在蒸發(fā)階段能吸收大量熱量并引起溫度降低。因此，將輻射制冷與自然的空氣水循環(huán)相結(jié)合，成為一種應(yīng)對(duì)全球氣候變暖挑戰(zhàn)的潛在解決方案。

近期，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的甘巧強(qiáng)教授偶然發(fā)現(xiàn)，將嬰兒尿不濕中的吸濕劑 [聚丙烯酸酯（PAAS）水凝膠顆粒，也是衛(wèi)生巾的主要原料] 放置在戶外一晚后，空氣中的水分迅速將吸濕粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨菽▓D1）。這種材料具有低太陽光吸收率、高紅外輻射率，而且在多云天氣下能夠?qū)⑼砩衔盏乃终舭l(fā)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)。最重要的是，這一制備過程僅利用了空氣中的水蒸汽，實(shí)現(xiàn)了水資源的有效再循環(huán)。此外，這一方法還能與工程中的連續(xù)生產(chǎn)工藝結(jié)合，生產(chǎn)具有光譜選擇性的自吸濕PAAS薄膜，最終實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的混合被動(dòng)冷卻：同時(shí)利用蒸發(fā)降溫和輻射制冷。干燥的PAAS薄膜具有出色的太陽短波反射率，高達(dá)0.93；同時(shí)，由于PAAS聚合物鏈的固有分子振動(dòng)，該薄膜在大氣窗口區(qū)域展現(xiàn)出0.99的高中紅外熱發(fā)射率（圖2，圖3）。這些卓越的光譜特性共同推動(dòng)了高效的輻射制冷效果。PAAS泡沫在吸水條件下呈現(xiàn)柔軟的質(zhì)地，而在水分被蒸發(fā)后變硬（硬度可達(dá)到與高爾夫球相當(dāng)）（圖2）。在戶外實(shí)驗(yàn)中，PAAS薄膜在紐約州布法羅市每平方米800瓦的太陽輻射下，可實(shí)現(xiàn)5°C的降溫效果（圖4）。相較于目前使用電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)設(shè)備，這種混合被動(dòng)冷卻技術(shù)預(yù)計(jì)每年可減少全球1184億千克的碳排放（圖5）。這項(xiàng)研究采用了低成本的原材料，制備過程環(huán)保，效果顯著，具有卓越的混合冷卻性能。同時(shí)，這種吸濕-蒸發(fā)的水凝膠材料實(shí)現(xiàn)了水資源的高效再利用，為未來輻射制冷技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了新的研究思路。

圖1 PAAS薄膜的制備、工作原理、光譜和機(jī)械性能：（a）被動(dòng)輻射和蒸發(fā)冷卻機(jī)制；（b）卷對(duì)卷制備工藝；（c）原料與成品；（d）光譜對(duì)比；（e）（f）機(jī)械性能。

圖2 PAAS薄膜材料表征：（a）水凝膠鍵交聯(lián)；（b）拉曼光譜與含水量關(guān)系；（c）PAAS 粉末的 FTIR光譜顯示其化學(xué)基團(tuán)；（d）吸水性能測(cè)試裝置；（e）PAAS粉末在不同相對(duì)濕度下的吸水率；（f）（g）TGA 和DSC曲線；（h）冷熱硬度變化；（i）應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。

圖3 光學(xué)特性：（a）不同入射角的總太陽反射率；（b） PAAS頂視掃描電鏡；（c）PAAS結(jié)構(gòu)尺寸分布；（d）PAAS折射率；（e）PAAS微結(jié)構(gòu)散射效率; （f）四種代表性入射波長(zhǎng)下PAAS干燥時(shí)的電場(chǎng)響應(yīng)。（g）PAAS蒸發(fā)率與不同濕度、風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系；（h）PAAS在不同蒸發(fā)速率、傳熱系數(shù)下的降溫效果。

圖4 戶外實(shí)驗(yàn)：（a）輻射制冷實(shí)驗(yàn)裝置；（b）PAAS薄膜的溫度變化；（c）蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)裝置；（d）PAAS薄膜的溫度變化；（e）蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)中 PAAS薄膜的質(zhì)量變化；（f）溫度和蒸發(fā)冷卻功率變化；（g）室外混合冷卻實(shí)驗(yàn)裝置；（h）屋面材料、PDMS (T)、濕PAAS薄膜和干PAAS薄膜溫度變化

圖5 節(jié)能估算：（a）不同氣候區(qū)代表性城市建筑單位面積年熱量減少量；（b）美國(guó)PAAS薄膜的節(jié)能潛力示意圖；（c）全球人均年發(fā)電量和年人均二氧化碳年排放量估算值。

這一研究成果題為“Atmospheric-moisture-induced polyacrylate hydrogels for hybrid passive cooling”，已發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上（Nat Commun. 14 (2023) 6707）。研究人員包括布法羅大學(xué)博士生Roisul Hasan Galib和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)博士后田彥培，重慶大學(xué)訪問博士生雷玥同學(xué)，KAUST黨賽超博士，Arief Yudhanto博士, Gilles Lubineau教授， 甘巧強(qiáng)教授為本文的通訊作者。

特別鳴謝Veronica Gan(甘教授女兒)和Taibah Hasan（Roisul女兒）兩位2歲小朋友的大力支持：本工作第一塊測(cè)試樣品使用了她們的尿不濕。

課題組目前還在招收材料、熱力學(xué)、機(jī)械、電子等背景的志同道合的青年才俊（博士后崗位）加入一起開發(fā)有意義的應(yīng)用，并且尋求產(chǎn)業(yè)化的機(jī)會(huì)。

該工作是甘教授團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于輻射制冷相關(guān)研究的進(jìn)展之一。相關(guān)研究還包括以下內(nèi)容：

1. 輻射冷卻的最佳實(shí)踐，Nat Sustain 6, 1030–1032 (2023).

2. 高功率 LED 燈的地面輻射冷卻，Next Energy 1, 100069 (2023).

3. 輻射冷卻實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)性：材料、系統(tǒng)和應(yīng)用 Phys. Rev. Materials 6, 090201 (2022).

4. 用于日間輻射冷卻的可持續(xù)且廉價(jià)的聚二甲基硅氧烷海綿. Advanced Science 8, 2102502 (2021).

5. 輻射制冷的空氣水冷凝.PNAS 118, e2019292118 (2021)

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42548-0

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（責(zé)任編輯：xu）

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