KAUST甘巧强教授 Nat. Commun.：“尿不湿”与水蒸气 - 绿色环保的辐射-蒸发混合型制冷材料

点击上方“蓝字” 一键订阅

全球气温上升，极端高温事件对地球生态系统和人类的生存环境造成了严重威胁。高温天气下，人们对空调系统的需求迅速增加。然而，传统的电力依赖型冷却方法能耗巨大。因此，人们急需开发出高效的被动冷却技术。近年来，辐射制冷技术因其无需能源支持以及卓越的能源节省潜力备受瞩目。该技术的基本原理是通过利用物体表面吸收太阳短波辐射的能力，将长波红外辐射释放到极寒的外太空（仅3K），从而实现热量散失和降温效果。但是辐射制冷机制强烈依赖于环境条件。地面物体的热辐射通常只能通过清洁干燥的大气环境有效的辐射到外太空。因此，在多云、湿润、空气污染环境中，辐射制冷并不能稳定的发挥作用。因此我们还需要其他制冷技术协同工作来克服这一局限性。

在自然界中，水分的循环过程（包括蒸发、冷凝、降水和渗透）是另一种有效的冷却机制。水在蒸发阶段能吸收大量热量并引起温度降低。因此，将辐射制冷与自然的空气水循环相结合，成为一种应对全球气候变暖挑战的潜在解决方案。

近期，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的甘巧强教授偶然发现，将婴儿尿不湿中的吸湿剂 [聚丙烯酸酯（PAAS）水凝胶颗粒，也是卫生巾的主要原料] 放置在户外一晚后，空气中的水分迅速将吸湿粉末转变为白色泡沫（图1）。这种材料具有低太阳光吸收率、高红外辐射率，而且在多云天气下能够将晚上吸收的水分蒸发，实现了强大的蒸发冷却效应。最重要的是，这一制备过程仅利用了空气中的水蒸汽，实现了水资源的有效再循环。此外，这一方法还能与工程中的连续生产工艺结合，生产具有光谱选择性的自吸湿PAAS薄膜，最终实现了可扩展的混合被动冷却：同时利用蒸发降温和辐射制冷。干燥的PAAS薄膜具有出色的太阳短波反射率，高达0.93；同时，由于PAAS聚合物链的固有分子振动，该薄膜在大气窗口区域展现出0.99的高中红外热发射率（图2，图3）。这些卓越的光谱特性共同推动了高效的辐射制冷效果。PAAS泡沫在吸水条件下呈现柔软的质地，而在水分被蒸发后变硬（硬度可达到与高尔夫球相当）（图2）。在户外实验中，PAAS薄膜在纽约州布法罗市每平方米800瓦的太阳辐射下，可实现5°C的降温效果（图4）。相较于目前使用电力驱动的空调设备，这种混合被动冷却技术预计每年可减少全球1184亿千克的碳排放（图5）。这项研究采用了低成本的原材料，制备过程环保，效果显著，具有卓越的混合冷却性能。同时，这种吸湿-蒸发的水凝胶材料实现了水资源的高效再利用，为未来辐射制冷技术在多个领域的实际应用提供了新的研究思路。

图1 PAAS薄膜的制备、工作原理、光谱和机械性能：（a）被动辐射和蒸发冷却机制；（b）卷对卷制备工艺；（c） 原料与成品；（d）光谱对比；（e）（f）机械性能。

图2 PAAS薄膜材料表征：（a）水凝胶键交联；（b）拉曼光谱与含水量关系；（c）PAAS 粉末的 FTIR光谱显示其化学基团；（d）吸水性能测试装置；（e）PAAS粉末在不同相对湿度下的吸水率；（f）（g）TGA 和DSC曲线；（h）冷热硬度变化；（i）应力-应变响应。

图3 光学特性：（a）不同入射角的总太阳反射率；（b） PAAS顶视扫描电镜；（c）PAAS结构尺寸分布；（d）PAAS折射率；（e）PAAS微结构散射效率; （f）四种代表性入射波长下PAAS干燥时的电场响应。（g）PAAS蒸发率与不同湿度、风速的函数关系；（h）PAAS在不同蒸发速率、传热系数下的降温效果。

图4 户外实验：（a）辐射制冷实验装置；（b）PAAS薄膜的温度变化；（c）蒸发冷却实验装置；（d）PAAS薄膜的温度变化；（e）蒸发冷却实验中 PAAS薄膜的质量变化；（f）温度和蒸发冷却功率变化；（g）室外混合冷却实验装置；（h）屋面材料、PDMS (T)、湿PAAS薄膜和 干PAAS薄膜温度变化

图5 节能估算：（a）不同气候区代表性城市建筑单位面积年热量减少量；（b）美国PAAS薄膜的节能潜力示意图；（c）全球人均年发电量和年人均二氧化碳年排放量估算值。

这一研究成果题为“Atmospheric-moisture-induced polyacrylate hydrogels for hybrid passive cooling”，已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上（Nat Commun. 14 (2023) 6707）。研究人员包括布法罗大学博士生Roisul Hasan Galib和阿卜杜拉国王科技大学博士后田彦培，重庆大学访问博士生雷玥同学，KAUST党赛超博士，Arief Yudhanto博士, Gilles Lubineau教授， 甘巧强教授为本文的通讯作者。

特别鸣谢Veronica Gan(甘教授女儿)和Taibah Hasan（Roisul女儿）两位2岁小朋友的大力支持：本工作第一块测试样品使用了她们的尿不湿。

课题组目前还在招收材料、热力学、机械、电子等背景的志同道合的青年才俊（博士后岗位）加入一起开发有意义的应用，并且寻求产业化的机会。

该工作是甘教授团队近期关于辐射制冷相关研究的进展之一。相关研究还包括以下内容：

1. 辐射冷却的最佳实践，Nat Sustain 6, 1030–1032 (2023).

2. 高功率 LED 灯的地面辐射冷却，Next Energy 1, 100069 (2023).

3. 辐射冷却实现能源可持续性：材料、系统和应用 Phys. Rev. Materials 6, 090201 (2022).

4. 用于日间辐射冷却的可持续且廉价的聚二甲基硅氧烷海绵. Advanced Science 8, 2102502 (2021).

5. 辐射制冷的空气水冷凝.PNAS 118, e2019292118 (2021)

论文链接：

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

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多