综述：基于吸附剂的蒸发冷却的协同作用机制与多种应用：迈向下一代热管理技术

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》：Synergistic pathways and diverse applications of sorbent-based evaporative cooling: Towards next-generation thermal management

　　

洪凌杰|陈新豪|袁鸿宇|张国泰|郑旭|王如竹

中国浙江省杭州市下沙区二路928号，浙江科技学院土木建筑工程学院，邮编310018

摘要

热管理面临着日益严峻的挑战：在满足不断上升的冷却需求的同时，还需大幅降低能耗和环境影响。基于吸附剂的蒸发冷却技术作为一种具有前景的被动式冷却技术应运而生。本综述阐述了该技术的重要转型：从以单一材料为核心的科学研究，发展为系统级集成技术。我们系统总结了该领域的最新进展，并提出了将蒸发冷却技术与其他先进热管理技术——包括辐射冷却、热管、蒸汽压缩系统以及冷凝技术——协同整合的可行路径。同时，我们对这些混合系统的性能进行了评估，并分析了材料和结构层面的优化策略。研究表明，吸附-解吸循环是实现自适应、低功耗热管理的核心机制，有助于显著减少对电网电力的依赖。此外，本文还探讨了蒸发冷却技术在空间冷却、光伏领域、电子设备、热电发电机以及人体热管理等方面的应用潜力。最终，我们认为深入的技术整合是实现实用型“零能耗”冷却方案的关键途径。文章最后总结了实现这一目标所需的吸附材料、自适应控制以及系统设计方面的创新举措，为下一代高性能热管理技术的发展提供了战略指引。

引言

高效且可持续的冷却技术对于应对全球热管理难题至关重要，而气候变化和能源需求的上升进一步加剧了这一问题（图1a）[1]、[2]、[3]。国际能源署的统计数据显示，2024年的极端高温导致全球冷却需求激增，使得全球能源消耗增加了约15%。该机构还预测，到2035年，冷却需求将占全球电力需求增长的30%以上[4]、[5]。

由于能耗低且环保，被动式冷却技术近年来受到了广泛关注。这类技术包括辐射冷却[6]、[7]、相变材料[8]、[9]、带鳍片的散热器[10]、[11]以及基于吸附剂的蒸发冷却技术[12]、[13]（图1b）。蒸发冷却技术的设计灵感来源于哺乳动物皮肤的出汗机制（图1c）：当体温上升时，皮肤表面的汗腺会分泌水分，这些水分蒸发时会吸收大量潜热，从而起到降温作用。该技术已被视为一种极具前景的被动式热管理解决方案[14]、[15]。其核心工作原理依赖于吸附层之间的吸附-解吸循环（图1d）：当热源（如光伏器件、电子设备等）持续释放热量时，这些热量会直接传递给吸附层，促使之前被吸附在其中的水分发生解吸。吸附在水中的水分子转化为蒸汽时会从热源中吸收大量热量，从而实现对热源的冷却效果。一旦热源停止发热，随着温度下降，吸附层会自动从周围环境中吸收水分以实现再生。在电子设备的热管理中，这种技术可使5G基站的温度降低5–20℃，同时提升其性能10–25%[16]；在光伏领域，该技术可将面板温度降低10–20℃，进而提高发电效率13–40%[17]。

已有不少综述总结了蒸发冷却技术的发展进展，但这些研究大多聚焦于吸附材料本身[18]、[19]、[20]、[21]。例如，蔡等人[18]研究了吸湿性金属有机框架及其复合材料，分析了它们的合成方法以及吸附/解吸性能和物理特性。王等人[19]则总结了热敏感吸附材料的合成与性能特点，并探讨了其在吸附除湿、大气水收集以及被动式冷却中的应用。李等人[20]则针对直接蒸发冷却、循环吸附驱动的液态水蒸发冷却以及基于大气水收集的蒸发冷却三种应用场景进行了材料设计研究。为了更清晰地区分不同类型的吸附材料，齐等人[21]研究了以吸附剂为基础的被动式蒸发冷却的热力学和动力学理论，同时还对各类吸附材料进行了分类。

然而据我们所知，目前尚未有研究系统探讨过将蒸发冷却技术与其他先进技术协同整合的方法。因此，本综述旨在系统分析该技术与其他先进技术的整合策略，同时详细阐述其在空间冷却、电子设备、光伏系统、热电发电机以及个人热管理等方面的应用情况，如图2所示。最后，本文还展望了该技术未来的发展前景，并分析了多技术整合的重要意义。我们希望这篇综述能够激励研究人员不要仅局限于单独研究蒸发冷却技术，而是考虑多种技术协同应用，从而实现整体效果优于各部分简单叠加的理想冷却效果。

内容节选

协同整合路径：将蒸发冷却技术与多种热管理技术结合

为了实现单一技术难以达到的性能突破和功能拓展，研究人员正在积极探索将该技术与其他先进技术协同整合的方法，以解决实际工程中的各种瓶颈问题。

目前的整合尝试主要是将蒸发冷却技术与辐射冷却[22]、热管[23]、蒸汽压缩技术[24]以及冷凝技术[25]相结合。例如，将蒸发冷却技术与辐射冷却结合，可以通过材料的光学特性来增强散热效果。

从太空到人体：蒸发冷却技术在热管理领域的应用场景

蒸发冷却技术具有较高的冷却能力，这得益于水分子解吸时所释放的高焓值。此外，该技术安全无毒性，且所需的水源易于获取。这些优势使其成为各种需要冷却场景下的理想解决方案[90]。目前，该技术已广泛应用于多个领域，包括建筑和小型封闭空间的空间冷却、手机、5G基站、可穿戴设备、芯片以及电池等电子设备的冷却。

结论

本综述提出了一种新的视角，强调了蒸发冷却技术的发展历程：它已经从最初仅依赖单一材料性能的“有前景的概念”，逐步发展成为通过深度系统整合来实现下一代热管理功能的核心技术。我们系统分析了将该技术与辐射冷却、热管、蒸汽压缩以及冷凝技术协同整合的路径，同时也评估了其在空间冷却、电子产业等多个领域的应用进展。

作者贡献说明

洪凌杰：负责原文撰写——初稿编写、可视化处理、方法设计以及定量分析。陈新豪：负责原文撰写——审阅与编辑、资料收集以及实验研究。袁鸿宇：负责原文撰写——审阅与编辑、资料收集以及方法设计。张国泰：负责原文撰写——审阅与编辑、资料收集以及数据整理工作。郑旭：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理以及资金申请。王如竹：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理以及资金申请，同时还负责定量分析工作。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：52576238），以及浙江省重点研发计划的支持（项目编号：2025C03017），同时还获得了中央高校基本科研业务费的经费支持（上海交通大学项目编号：22lgqb20）。

洪凌杰目前是浙江科技学院土木工程学院的硕士研究生，他的研究兴趣主要集中在吸附材料以及光伏热管理领域。