中科院化学所赵宁研究员团队：高日光反射水凝胶实现高效按需被动热管理

被动降温材料能够通过对流、传导、辐射、蒸发和相变等途径有效散热而无需使用电力等能源，有望缓解城市热岛效应和减少能源消耗。针对此类材料日间降温功率有限、昼夜温差大等不足，中科院化学所赵宁研究员团队提出基于高日光反射水凝胶的“按需”蒸发降温策略。利用水蒸发速率的环境自适性（日间蒸发强，夜间蒸发弱），该材料正午降温功率高达1.25 kW m⁻²而夜间几乎不降温；户外测试中，正午亚环境降温11~13℃，昼夜温差减小约10.6℃。这种“按需”热管理为开发新一代高效可控的被动降温材料提供了思路。

被动降温（Passive cooling）材料能够通过对流、传导、辐射、蒸发和相变等途径有效散热。户外使用时，被动降温材料主要依靠反射太阳光来实现低于环境温度的降温效果（亚环境降温）。目前，利用反射太阳光和中红外（8~13 μm ）大气窗口辐射散热的辐射降温广为报道，其正午降温功率小于100 W m^-2，相应温度比环境气温低4~13℃（ΔT）。然而，如果在降温测试中不使用聚乙烯隔热层，ΔT将下降 2~11℃ ；在高湿度（64%RH，文献最高值）和空气质量差的天气条件下，ΔT会减小1~3℃。此外，辐射降温材料白天降温功率通常低于夜间，使得昼夜温差增大。利用含水材料的蒸发降温有可能解决以上问题。一方面，水的汽化潜热高达2400 J g⁻¹，有望提高降温功率；另一方面，利用蒸发速率受环境温度和湿度的影响可实现降温功率的环境自适性。目前，蒸发降温材料已被用于节能建筑、包装、电子设备和人体降温贴等，但在日间亚环境被动降温领域鲜有报道。

最近，中科院化学所赵宁研究员团队提出一种基于水凝胶材料的日间被动蒸发降温途径（Passive daytime evaporative cooling，PDEC）。由于聚合物（n = 1.4~1.6）和水（n = 1.33）的的折光指数相近，聚合物水凝胶通常对太阳光的反射率很低。该团队通过聚合诱导相分离制得聚异丙基丙烯酰胺基（PNIPAM）水凝胶，通过调节聚合物骨架结构，含水量72 wt%的水凝胶在5.5 mm厚度时太阳反射率高达86.1%；在1 sun下，凝胶的水蒸发速率可达1.94 kg m⁻² h⁻¹，理论降温功率1.25 kW m⁻²。

由于水的蒸发速率随太阳辐照度（760~0 W m⁻²）下降或湿度上升（57~97%RH）而削弱，PDEC降温功率具备环境适应性。户外测试表明该材料正午时ΔT为11~13℃；而夜间由于水的蒸发和凝结达到平衡，几乎不降温，由此将昼夜温差缩小10.6℃。该水凝胶材料的降温能力也可通过与颜料混合，或调节其水含量进行调控。这种新型日间被动蒸发降温策略有望应用于炎热潮湿地区，或与雨水循环利用系统、水含量反馈-补水系统相结合，促进高效、智能可控、色彩丰富的可持续降温材料的发展。

图1. PDEC水凝胶的结构与基本性质。(a) PNIPAM基水凝胶制备过程中的结构演变和SEM图像；(b)水凝胶的拉曼成像图；(c)水凝胶在太阳光（AM1.5）和中红外（MIR）大气窗口波长范围内的总反射率；(d)不同太阳反射率和水分蒸发速率(ER)下PDEC水凝胶的模拟降温功率；(e)水分蒸发速率（ER）和测试环境的关系；(f)不同基底上湿凝胶和干凝胶在1 sun下的红外热图像：黑色铝板（i）、白色铝板（ii）、银色铝板（iii）和黑色塑料板（iv）

论文第一作者为中科院化学所博士生杨萌，通讯作者为中科院化学所赵宁研究员。详见：Meng Yang, Weizhi Zou, Heng Luo, Yong Liu, Ning Zhao, Jian Xu. Bright-white hydrogels for on-demand passive cooling. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-023-1548-0.

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【通讯作者简介】

赵宁，中科院化学所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师。主要从事仿生材料，动态高分子和高性能高分子材料的研究。曾获得中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青促会优秀会员、省部级科技进步一等奖、二等奖等奖励。

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