华南理工孙大文院士课题组 CEJ：高度缠结水凝胶基于日间辐射/蒸发制冷与夜间大气补水耦合效应实现可持续日间被动式制冷

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在过去的一个世纪里，机械蒸汽压缩制冷系统为人类的工业、农业、建筑和交通运输中提供了极大的发展，但它依赖燃煤和燃气发电，导致了能源短缺与温室气体排放。至2022年，制冷约占全球二氧化碳排放增量的13% 。由于人为温室气体的排放，全球气温不断升高，威胁着人类的生存环境。因此，开发零能耗、零排放的制冷技术迫在眉睫。

图1. 基于日间辐射/蒸发制冷与夜间大气补水耦合效应的水凝胶实现可持续日间被动制冷示意图。

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提出了一种具有日间辐射制冷、蒸发制冷与大气水分收集耦合效应的高度缠结水凝胶，用于可持续的日间被动式制冷。高度缠结水凝胶的拉伸应力和压缩应力分别比传统水凝胶提升了18倍和9倍。随着吸湿剂载入量的增加，水凝胶的吸湿性增强，但蒸发制冷效果减弱，说明强吸湿性和有效蒸发制冷的设计是冲突的，因此制冷器需要精准设计来平衡日间蒸发和夜间补水。虽然水凝胶的制冷能力受到太阳辐射的影响，但将日间辐射制冷与蒸发制冷相耦合可以实现在太阳辐射下的降温，并且吸湿效应利于水凝胶在夜间补充水分以确保下一次蒸发制冷的进行。此外，水凝胶的吸湿剂浓度在蒸发和补水过程中是动态变化的，解释了蒸发制冷效率变化的原因，表明吸湿剂浓度的变化对蒸发制冷性能和吸湿性能起着至关重要的调节作用。室内与室外实验结果表明，吸湿剂载入比为2.47的水凝胶在第一天的制冷性能最好，但由于缺水，随后几天的制冷性能有所下降，而吸湿剂载入比为3.69的水凝胶在整个实验过程中制冷性能稳定，这是由于水分含量在白天蒸发与夜间补水是完美匹配的。本研究期望为开发可持续的日间被动制冷技术提供了一种新的途径。该工作以“Self-Rehydrating and Highly Entangled Hydrogel for Sustainable Daytime Passive Cooling”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2023.147795），华南理工大学孙大文院士为本文唯一通讯作者，华南理工大学博士生徐亮为第一作者。

图2. 高度缠结水凝胶合成示意图。

图3. 制冷性能与补水性能测试。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147795

专家简介：

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孙大文（Da-Wen Sun），男，广东省潮州人，欧洲历史上唯一的华侨华人“六院院士” ，中国致公党第十四/十五届中央委员，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，全国政协特邀海外列席代表和海外列席组召集人（2012）。欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）（Academia Europaea）院士，爱尔兰皇家科学院（Royal Irish Academy）院士，波兰科学院（Polska Akademia Nauk）外籍院士，国际食品科学院（IAFoST）院士，国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）院士，国际制冷科学院院士。施普林格国际著名期刊《食品与生物加工技术》（Food and Bioprocess Technology）创刊者和主编（2008年创刊即为SCI收录，第二年进入SCI一区， 现影响因子=5.8）、泰勒弗朗西斯集团《现代食品工程》 (Contemporary Food Engineering) 系列丛书创始主编、国际农业工程委员会（CIGR）主席（2013-2014）和荣誉主席、国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）创院院长。现任华南理工大学教授，博导，现代食品工程研究中心主任；广东省农产品智能冷链物流装备工程实验室主任、广东省冷链食品智能感知与过程控制工程技术研究中心主任、广东省现代食品工程国际科技合作基地主任、广东省食品智能质控与过程技术装备国际暨港澳台合作创新平台主任、广东省现代农业（农产品无损检测及精深加工）产业技术研发中心主任、广东省农产品品质智能感知与精准控制现代农业科技创新中心主任、广东省农产品保鲜物流共性关键技术研发创新团队首席科学家、广州市农产品智能感知与品质控制重点实验室主任；爱尔兰国立都柏林大学（UCD）食品和生物系统工程终身教授。

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2023年连续九年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号,并位居美国斯坦福大学“全球前2％科学家”排名中国食品科学与工程入选的三百多位学者名单的第一位。

在世界著名杂志和国际会议上共发表了1000多篇论文，其中，以通讯作者发表并被SCI收录的期刊论文超过700篇，出版专著17部，Web of Science统计的学术h指数为119，SCOPUS统计的学术h指数为129，Google Scholar 统计的学术h指数为152。特别是在高光谱成像、计算机视觉、真空冷却、超声波辅助冷冻和CFD模拟等方面的论文已经成为其他研究者的经典参考文献。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（2023年07月）在Web of Science网站上可以检索到的文章中，共有342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50篇，JCR一区论文285篇，影响因子大于6的131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11%和70%。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。

主持国家“十二五”科技支撑计划项目，国家“十三五”重点研发专项，国家国际科技合作专项，国家自然科学基金，东西部合作重大项目，广东省科技厅，农业农村厅，教育厅等科技计划项目，广州市科技计划项目，企业合作项目等四十多项。授权中国发明专利77件，美英日等发明专利10件，申请国际PCT专利9项。2019年至2022年连续四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），2016年度广东省科学技术奖三等奖（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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