《Renewable Energy》：Thermo-regulating cellulose aerogel-based composite PCM with enhanced hydrophobicity and energy storage density for building envelope applications
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吴胜豪|杨颖颖|任燕|吴婷婷·沃格特|里亚德·布祖伊贾|吴卫东|张华上海科技大学能源与动力工程学院，中国上海 200093摘要建筑围护结构的热性能直接影响能源消耗，这突显了开发新型被动温度调节功能材料的重要性。相变材料（PCMs）因其高热能储存能力而受到关注，但泄漏问题限制了其在
吴胜豪|杨颖颖|任燕|吴婷婷·沃格特|里亚德·布祖伊贾|吴卫东|张华
上海科技大学能源与动力工程学院，中国上海 200093
摘要
建筑围护结构的热性能直接影响能源消耗，这突显了开发新型被动温度调节功能材料的重要性。相变材料（PCMs）因其高热能储存能力而受到关注，但泄漏问题限制了其在建筑中的应用。纤维素气凝胶具有高孔隙率、低密度和三维纳米多孔结构，被认为是封装PCMs的理想基质。然而，其固有的亲水性限制了其长期稳定性，需要提高PCM的封装效率和相变焓。为了克服这些挑战，本研究采用了甲基三甲氧基硅烷进行疏水改性，使水接触角超过120°，并使用盐酸多巴胺进行胺化处理，使得复合PCM的封装效率达到93.8%。将这种双重改性的气凝胶（MD-CNF）与二元PCM（月桂醇-硬脂酸，LASA）结合，制备了MD-CNF/LASA。结果表明，MD-CNF/LASA的相变焓为178.3 J/g，热能储存系数比纯MD-CNF提高了25.7倍，表现出优异的吸热和放热性能。在相同的加热条件下，其冷侧温度比MD-CNF低31.1%，温差为10.6°C，且峰值温度出现时间延迟。因此，MD-CNF/LASA在提高室内热舒适度的同时，具有显著降低能源使用和碳排放的潜力。
引言
作为室内和室外环境之间的主要热界面，建筑围护结构在调节能源需求和消耗方面起着关键作用。因此，通过增强被动温度调节能力来开发零能耗建筑，特别是自调节建筑围护系统，是实现节能和减排的重要策略[1]。
相变材料（PCMs）由于其高能量储存密度和等温相变行为的独特性质，在建筑能效方面表现出显著优势。大量研究表明，将PCMs集成到建筑围护结构中（例如，隔热墙[2]、地板[3]和屋顶[4]）不仅提高了热惯性，还减少了室内温度波动，从而改善了热舒适度并实现了可测量的节能效果。这通过多种方法得到了验证：新型墙体组件（例如，基于聚乙烯的PCM墙体可将能源使用量减少约10.18%[5]）、在不同气候条件下的优化集成（例如，在特定条件下3厘米厚的PCM层可将年能源需求减少约61.8%[6]），以及先进生物基复合材料的应用（例如，生物基PCM复合材料可将年总能源消耗减少约15.5%[7]）。然而，PCMs的实际应用面临关键挑战，如液态下的泄漏和热性能逐渐下降。固液相变过程中的体积变化会导致结构不稳定，而反复循环后热导率的恶化会严重损害系统的可靠性。
为了解决这些挑战，研究人员开发了多种封装技术，包括宏观封装[8]、微观封装[9]、纳米封装[10]和多孔基质封装[11]。其中，气凝胶因其超高的孔隙率和比表面积而成为理想的多孔基质，在提高复合材料的热能储存性能和防止PCM泄漏方面表现出显著优势。例如，基于十二胺/Ti3C2-果胶气凝胶基质的复合材料表现出高潜热和良好的循环稳定性[12]，以及使用植酸修饰的κ-卡拉胶/黑色素混合气凝胶基质的复合材料表现出优异的防泄漏性能和超高的封装效率[13]。为此目的研究最广泛的气凝胶基质还包括二氧化硅气凝胶[14]、基于石墨烯的气凝胶[15]和纤维素气凝胶[16]。
在各种类型的气凝胶中，纤维素气凝胶（CA）——源自天然生物质——不仅保留了传统气凝胶的典型特性，如超低密度（<0.1 g/cm3）、高孔隙率（>90%）和三维纳米多孔结构，还具有环保优势，包括生物相容性、可生物降解性和可再生性。这使其在建筑能效应用中具有巨大潜力。研究表明，CA独特的三维网络为PCMs提供了理想的装载空间，实现了优异的封装性能和良好的防泄漏效果。然而，关键分析表明，现有的CA/PCM系统仍面临阻碍其直接应用于建筑围护结构的主要限制。首先，研究策略主要集中在优化单一性能维度上。例如，一些研究旨在通过构建混合网络来抑制泄漏[17]，而其他研究则试图通过碳化支架来提高热导率[18]。这些单一维度的改进无法同时满足耐用建筑材料所需的疏水性、高封装比和机械完整性。其次，性能评估与实际应用场景之间存在明显脱节。即使对于那些在封装比和潜热等指标上表现优异的材料[19]，其评估也主要局限于静态的、材料级别的测试。在模拟实际建筑围护环境下的动态热条件下，缺乏定量的、面向应用的验证。这种脱节阻碍了材料性能向可预测的实际性能的有效转化，从而阻碍了其实际工程应用。
为了直接解决这些限制，本研究的主要目标是：（1）通过MTMS改性提高纤维素气凝胶的疏水性；（2）通过DH改性提高封装效率和焓；（3）使用月桂醇-硬脂酸（LASA）开发具有高潜热储存的二元PCM复合材料；（4）在模拟建筑环境中评估热调节性能。因此，本工作的独特性在于使用了双重改性的（MTMS/DH）气凝胶基质、二元LASA PCM以及在模拟围护条件下的定量性能评估，推动了针对应用调整的PCM复合材料的发展。
章节片段
材料
纤维素纳米纤维（CNF，固含量：4.5 wt%，直径：1-2 μm）由中山纳米新材料有限公司（中国）提供。月桂醇-硬脂酸二元PCM（LASA）在实验室中合成。盐酸多巴胺（DH，98%）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS，98%）从上海麦克林生化科技有限公司（中国）采购。去离子水在实验室中制备。所有化学品均按接收状态使用，无需进一步纯化。
纤维素气凝胶的制备
定向冷冻干燥技术是一种材料制备方法，通过控制冰晶的生长方向来制造具有各向异性多孔结构的材料。该技术的核心原理是利用温度梯度引导前驱体分散系统中溶剂的方向结晶行为，从而形成具有定向特性的孔道结构。如图3a所示，当存在垂直的自下而上的温度梯度时
结论
为了解决传统纤维素气凝胶固有亲水性导致的稳定性不足问题，以及提高PCM的封装效率和相变焓以提高建筑能效，本研究创新性地提出了一种双重改性策略，包括使用MTMS进行疏水改性和使用DH进行胺化改性。通过系统的实验研究，得出了以下关键结论。
首先，MTMS改性
CRediT作者贡献声明
吴胜豪：数据整理、研究、方法论、初稿撰写。杨颖颖：概念构思、数据整理、资金获取、研究、方法论、项目管理、资源协调、撰写——审阅与编辑。任燕：研究、方法论、资源协调、撰写——审阅与编辑。吴婷婷·沃格特：方法论、资源协调、验证、撰写——审阅与编辑。里亚德·布祖伊贾：概念构思、资源协调、验证、撰写——审阅与编辑。吴卫东：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了上海 Rising-Star 计划（编号：24QA27050900）和国家自然科学基金（编号：52176016）的支持。
