由生物质衍生的聚硅倍半氧烷纳米纤维增强的多孔气凝胶，适用于全天候各种天气条件下的持久被动辐射冷却

《ACS Nano》：Biomass-Derived Polysilsesquioxane Nanofilament Reinforced Porous Aerogel for Durable Passive Radiative Cooling across All Day and Weather Conditions

被动辐射冷却通过反射太阳光（0.3–2.5 μm）和发射红外热辐射（8–13 μm）实现无能耗降温，但高太阳辐照下散热效率不足。本研究将一维聚硅氧烷纳米纤维（1D PSNFs）嵌入多孔生物质气凝胶骨架，形成三维微-纳分级孔结构，显著提升太阳能反射率（97%）和红外发射率（97%），实现连续720小时138.6 W/m2冷却功率，环境温度降低9°C，同时保持低热导率（29.0 mW/m2K）、高比表面积（137.84 m2/g）和超疏水性（接触角175°）。

　　被动辐射冷却（Passive Radiative Cooling, PRC）作为一种可持续的冷却策略，近年来在应对全球变暖和能源消耗带来的环境问题中展现出巨大潜力。通过反射太阳光（波长范围为0.3至2.5微米）并利用大气透明窗口（8至13微米）将热量辐射至寒冷的外层空间，这一过程无需外部能源输入，因此成为实现高效、环保冷却的一种理想选择。然而，由于白天太阳辐射强度极高（可达1000瓦/平方米），如何有效减少太阳光的吸收、增强热辐射能力，是当前PRC材料研究中的关键挑战。本文提出了一种创新性的解决方案，即将一维多孔硅氧烷纳米丝（1D PSNFs）嵌入到由生物质衍生的微纳米多孔聚乳酸（PLA）气凝胶中，形成一种三维结构，从而显著提升冷却性能。

在实际应用中，气凝胶材料因其低密度、高比表面积和优异的隔热性能而受到广泛关注。这类材料通常具备良好的光反射和热辐射能力，使其在白天和夜晚都能保持稳定的冷却效果。此外，由于其微纳米多孔结构，气凝胶能够有效减少非辐射热损失，如对流和传导，从而提高整体冷却效率。然而，传统气凝胶材料往往存在非可回收、不可再生的问题，这限制了其在长期应用中的可持续性。因此，研究者开始关注从生物质中提取的可再生材料，如聚乳酸（PLA），并探索如何通过结构优化进一步提升其性能。

本文设计的1D PSNFs-嵌入型微纳米多孔PLA气凝胶冷却器（PSNF/MNPLA）在多个方面展现出显著优势。首先，该材料在太阳光谱（0.3至2.5微米）范围内实现了高达97%的太阳反射率，而在大气透明窗口（8至13微米）中也表现出97%的热发射率，从而确保了高效的辐射冷却。其次，其热传导性能被显著优化，热导率仅为29.0毫瓦/（米·开尔文），远低于传统气凝胶材料。同时，该材料还具有超疏水性，水接触角接近175度，能够有效防止水分吸附，从而减少热交换带来的额外热损失。此外，其密度仅为44.43千克/立方米，比传统气凝胶更低，进一步提升了其轻量化特性。

在实验测试中，PSNF/MNPLA冷却器在持续720小时的太阳照射下，实现了稳定的138.6瓦/平方米的冷却功率，使环境温度降低了约9摄氏度。这一表现远优于其他现有的PRC材料，例如聚乙烯气凝胶（PEA）和可扩展的低碳泡沫气凝胶。PEA在白天的冷却功率仅为96瓦/平方米，而本文中PSNF/MNPLA则实现了更高的冷却温度（13摄氏度）和更长的冷却时间。此外，PSNF/MNPLA在白天和夜晚的冷却性能均表现出色，说明其不仅适用于高温环境，还能在夜间持续发挥冷却作用，进一步提升了其应用价值。

该材料的结构和性能优势来源于其独特的微纳米多孔网络和嵌入的一维纳米丝。通过液相分解法合成的1D PSNFs具有特定的化学键（如C–O、C–C、Si–O–Si等），这些化学键在中红外波段具有优异的热发射能力，使得材料在大气透明窗口内能够高效辐射热量。同时，由于纳米丝的引入，气凝胶的微孔和纳米孔尺寸被有效控制，从而减少了太阳光的吸收，提高了反射率。通过扫描电子显微镜（SEM）和纳米测量软件，研究者详细分析了不同材料的孔径分布，发现PSNF/MNPLA在微孔和纳米孔方面均表现出更小的尺寸，这有助于增强其光反射和热辐射性能。

在实际应用中，气凝胶冷却器的冷却性能还受到厚度的影响。研究者通过对比不同厚度的材料（3毫米和7毫米），发现尽管7毫米的材料在白天和夜晚的冷却温度略高，但3毫米的材料在保持高反射率和热发射率的同时，也表现出良好的冷却效果。这表明，即使在较薄的结构下，PSNF/MNPLA仍能实现高效的辐射冷却，为实际应用提供了更灵活的选择。此外，研究还发现，随着纳米丝含量的增加，材料的冷却性能先上升后下降，表明20%的纳米丝含量是实现最佳冷却效果的最优比例。

在长期稳定性方面，PSNF/MNPLA冷却器在酸性和碱性溶液中表现出优异的耐腐蚀性。当材料被浸泡在pH值为1和13的溶液中7天后，其太阳反射率和红外发射率仅发生微小变化，表明其在恶劣化学环境下的耐久性。同时，户外暴露测试显示，即使在强风和多云天气下，该材料仍能保持稳定的冷却性能，说明其在实际环境中的适应性。此外，水接触角（WCA）和滑动角（SA）的测试进一步验证了其超疏水性和表面润湿性的稳定性，即使在长期使用后，仍能维持接近175度的水接触角和低于12度的滑动角，这为其在潮湿或高温环境下的应用提供了保障。

除了上述性能优势，PSNF/MNPLA气凝胶冷却器还具有良好的机械性能。通过压缩应力-应变曲线的测试，研究者发现该材料在80%应变下的表现优于传统PLA气凝胶，显示出较高的抗压强度。这一特性使其在实际应用中更具优势，特别是在需要承受外部压力的场景下，如建筑隔热材料或户外设备冷却系统。此外，其低密度和高比表面积使其在保持轻量化的同时，具备优异的热交换能力，从而在不增加重量的前提下实现更高效的冷却。

从环境角度来看，PSNF/MNPLA气凝胶冷却器的可持续性是其另一大亮点。由于其来源于生物质材料，且通过嵌入一维纳米丝实现了高性能冷却，因此该材料在减少碳排放和资源消耗方面具有显著优势。相比传统的聚乙烯或聚氨酯基冷却材料，PLA基材料不仅更环保，还能在使用后通过回收或降解减少对环境的影响。同时，纳米丝的引入提高了材料的热稳定性，使其在高温环境下不易发生结构变形或性能下降，进一步增强了其在实际应用中的可靠性。

为了进一步验证其冷却性能，研究者进行了长时间的户外测试。测试结果显示，PSNF/MNPLA在白天和夜晚均能实现显著的温度降低，尤其是在白天，其平均温度下降幅度达到9摄氏度，远高于传统材料。同时，其在不同环境条件下的表现稳定，即使在太阳辐射强度变化较大的情况下，也能保持良好的冷却效果。此外，红外热图像显示，PSNF/MNPLA在高温（100摄氏度）环境下能够有效散热，进一步证明了其在极端条件下的适用性。

总的来说，本文提出的PSNF/MNPLA气凝胶冷却器在多个方面都优于现有的PRC材料。它不仅具备高反射率、高发射率和低热导率，还具有良好的机械性能和化学稳定性。这些特性使其能够在各种天气条件下实现高效的被动辐射冷却，同时保持环境友好性和可持续性。随着全球对节能减排和环保材料的需求不断增长，这类材料有望在未来广泛应用于建筑、纺织、电子设备冷却等领域，为应对全球变暖提供新的解决方案。