华南理工大学孙大文院士课题组 CEJ：纳米复合水凝胶通过日间辐射/蒸发协同效应实现日间被动式制冷

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如今，空调和冷链系统主要是基于机械蒸汽压缩制冷，已为人类的生活环境和食品保鲜带来了近一个世纪的好处。然而，这些主动制冷技术需要消耗大量电力，并使用非环保制冷剂，导致了一系列的环境问题，如全球变暖，城市热岛和臭氧空洞。因此，随着环境的恶化和人们环保意识的增强，寻找一种更加节能环保的制冷技术变得尤为迫切。

图1. 具有日间辐射/蒸发效应的纳米复合水凝胶在建筑冷却和冷冻食品短途运输的潜在应用。

近期，华南理工大学现代食品工程研究中心孙大文院士团队采用天然深共晶溶剂制备了纳米颗粒聚丙烯酰胺/聚乙烯醇水凝胶(NPs/NADES@PAAm/PVA)。无水型的NPs/NADES@PAAm/PVA由于其太阳反射率可达~0.95和大气发射率可达~0.92能够实现日间辐射制冷（图2）。吸水后，溶胀型NPs/NADES@PAAm/PVA和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA均可同时实现日间辐射制冷和蒸发制冷。此外，无水型和溶胀型的NPs/NADES@PAAm/PVA均具有良好的机械特性、柔韧性和亲水性（图3）。室外现场实验结果表明（图4），无水型NPs/NADES@PAAm/PVA、溶胀型NPs/NADES@PAAm/PVA和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA在高强度的太阳辐射下相比于~35.0℃的环境温度可实现的平均降温分别为~2.9℃、~6.2℃和~3.6℃，说明无水型NPs/NADES@PAAm/PVA可在日间实现低于环境的温度，而溶胀型和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA由日间辐射/蒸发协同作用而具有更好的降温性能。另一项室外现场实验结果表明（图5），NPs/NADES@PAAm/PVA在建筑降温和冷冻食品短途运输方面具有一定的应用潜力。本研究期望能够进一步推动被动式制冷技术的发展。该工作以“Nanocomposite Hydrogel for Daytime Passive Cooling Enabled by Combined Effects of Radiative and Evaporative Cooling”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2022.141231），文章第一作者为华南理工大学博士生徐亮，通讯作者为孙大文院士。

图2. (a) 辐射/蒸发制冷水凝胶的太阳辐射反射光谱和大气窗口发射光谱，及其 (b) 太阳辐射透射光谱和 (c) 理论辐射制冷功率。图2. (a) 不同厚度(1 - 4 mm)的无水型NPs/NADES@PAAm/PVA的反射率和发射率光谱和 (b) 相应的太阳反射率 (R_sol) 和大气窗口的辐射率 (ε_aw)。(c)不同厚度的辐射功率(P_rad)、大气辐射吸收功率(P_atm)、太阳辐射吸收功率(P_sol)和净辐射制冷功率(P_R)。

图3. (a) 无水型和溶胀型NPs/NADES@PAAm/PVA的图片，包括折叠和扭转。(b) 弯曲冷却应用，包括个人热管理的可穿戴设备或生物制剂运输的包装。(c) 无水型和 (d) 溶胀型水凝胶的力学特性。(e) 无水型NPs/NADES@PAAm/PVA顶部和截面的SEM图像及其对应的元素F和Zr的能谱图。(f)聚合过程中纳米颗粒在NPs/NADES@PAAm/PVA横截面视图中的分布示意图。

图4. (a) 无水型、溶胀型和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA的制冷功率测量设备示意图。(b)太阳辐射强度为~720 W m^-2和相对湿度为~30%条件下的实验实景图。 (c) 不同处理的铜片表面温度变化 (加热器关闭)。(d) 不同处理的铜片表面温度变化 (加热器开启)。(e) 无水型、溶胀型和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA的平均蒸发制冷功率、日间辐射制冷功率和总制冷功率。

图5. (a) 房屋冷却性能测量的实验设备示意图。(b) 不同处理房屋模型的温度变化。(c) 冰或冰冻食品冷却性能测量的实验设备示意图。(d) 不同处理冰的温度变化。(e) 不同处理冰在太阳辐射下的照片 (f) 及其相应的的质量损失。(g) 不同处理冰冻食品在太阳辐射下的照片。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141231

作者简介：

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孙大文（Da-Wen Sun）教授，中国致公党中央委员，中国侨联特聘专家，国务院侨务办公室专家咨询委员会委员。欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）院士，爱尔兰皇家科学院院士，波兰科学院院士，国际食品科学院院士，国际农业与生物系统工程科学院院士，国际制冷科学院院士。国际著名期刊《Food and Bioprocess Technology》（Q1）创刊者和主编。

荣获国际农业与生物系统工程委员会（CIGR）杰出奖，英国皇家机械工程师学会“食品工程师年度人物”，凤凰卫视“影响世界华人大奖”，国际食品保护协会“冷冻食品基金会冷冻研究奖”，国际工程与食品协会终身成就奖，“CIGR荣誉主席”等多项国际大奖， 2015年至2022年连续六年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号。

在世界著名杂志和国际会议上发表了1000篇论文，出版专著17部，共有600多篇论文被SCI收录（Web of Science统计的学术h指数为104，SCOPUS统计的学术h指数为108，Google Scholar 统计的学术h指数为122）。71篇论文入选ESI农学“高被引论文”，全球排名第一位（2020.01）。

2011年底起回到华南理工大学工作以来，迄今为止（2020年11月）在Web of Science网站上可以检索到的文章中，共有209篇是以华南理工大学食品科学与工程学院作为第一作者单位的论文，其中高被引论文42篇，JCR一区论文157篇，影响因子大于6的65篇。高被引论文数占华南理工大学全校和食品科学与工程学院的比例分别为14%和45%。其中2篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，为华南理工大学唯一入选的两篇论文。

授权中国发明专利63件，美英日等发明专利10件，申请国际PCT专利9项。2019年至2020年连续两年每年培养科睿唯安全球“高被引科学家”2人。荣获2014年度广东省科学技术奖一等奖（排名第二），2016年度教育部科技进步奖二等奖（排名第一），2018年度中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖（排名第二），2018年度广东省科技进步奖一等奖（排名第一），2020年度安徽省科技进步奖二等奖（排名第三）。

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