全球气候变化和城市化加速进程导致了严重的能源、环境和安全问题。低碳、低能耗的被动辐射冷却技术是解决全球变暖的一种有前景的热管理策略。传统的石油化工产品制备的辐射冷却材料往往存在制冷效率低、环境友好性差等问题。

 

近日，四川大学王玉忠院士团队赵海波教授提出了一种本征光致发光生物质气凝胶，其可见光反射率超过100%，可产生巨大的冷却效果。研究发现，通过荧光和磷光，DNA和明胶聚集成的有序层状气凝胶在可见光区域的太阳加权反射率达到104.0%。在太阳辐照度较高的情况下，冷却效果可使环境温度降低16.0℃。同时，这种气凝胶通过水焊接技术实现了规模化高效生产，具有很高的可修复性、可回收性和可生物降解性，从而完成了一个具有环保意识的生命周期。这种生物质光致发光材料是设计下一代可持续冷却材料的又一工具。研究成果以“A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling”为题发表在Science上。

 

 

面对日益严峻的环境挑战，可持续发展是一个重要的机遇，可以审慎地进行资源管理和减少能源消耗。从传统的石油基材料转向可再生生物质原料，在资源保护领域具有至关重要的意义，其有可能减少与传统材料相关的环境足迹。其中，生物质材料因其环保性、丰富的可用性以及定制工程以提高可回收性的潜力而受到广泛关注，尤其是在对能源短缺的担忧下。开发可持续生物质节能材料、提高能源效率和实施明智的节能做法成为应对能源挑战的指导原则。据统计，维持舒适环境的能源消耗占总能源使用量的很大一部分，特别是在发达地区，超过累计消耗量的40%。鉴于这些情况，实现节能冷却具有更大的紧迫性。与空调等主动冷却方法相比，被动辐射冷却技术提供了一种潜在的可持续替代方案。 这种方法利用将内部热量辐射到较冷的外部环境的能力，同时反射太阳辐射，所有这些都不需要外部能量输入，使冷却能够自我维持。 虽然传统的冷却材料包括多层光子结构、纳米复合材料薄膜、聚合物材料和杂化光学超材料，已经展示了连续冷却能力，但他们仍在努力解决太阳能吸收问题。在白天辐射冷却领域，轻微的阳光吸收会导致室内温度升高，降低冷却效率。

 

【制造与结构】

 

本文展示了一种自然光致发光的生物质气凝胶，其在可见光区域的太阳光反射率超过100%，从而带来了巨大的辐射冷却效应（图1）。该发现取决于明胶(GE)和DNA之间的协同相互作用产生的磷光和荧光特性，从而向外部环境产生高效的生热辐射。气凝胶的精细结构和多级分层结构进一步增强了太阳反射率，导致太阳加权反射率达到104.0%（0.4至0.8μm）。

图 1. 本征光致发光生物质气凝胶板示意图

 

制造过程涉及形成基础气凝胶砖的双向冷冻干燥过程。然后通过水焊将这些砖块连接起来，形成具有长程有序结构的大型气凝胶板。具体而言，GE-DNA气凝胶砖由含有0.04 g/ml GE和0.01 g/ml DNA的水凝胶制成，被命名为G4D1。这些砖可以沿分层方向进行水焊接，形成以长程有序结构为特征的膨胀气凝胶板（图2A）。该方法确保了气凝胶的可扩展性并保持其固有的光致发光特性和结构完整性。GE和DNA之间强动态交联离子氢键对于促进通过水焊接进行大规模制备至关重要。密度泛函理论(DFT)计算，包括静电势(ESP)和结合能(BE)（图2B-D），证实了GE和DNA涉及DNA中的–PO42–与GE中的–OH和–NH2之间形成离子氢键。FTIR光谱显示，添加DNA后，GE中N-H的伸缩振动峰红移至3298cm−1（图2E）。具有不同DNA含量的气凝胶的FTIR光谱显示P=O的伸缩振动峰从1234.2到1230.5cm−1红移（图2F）。水焊气凝胶的3D体积渲染（根据大量切片图像重建）突出显示了焊接点处微米尺寸连接结构的存在（图2G）。焊接气凝胶板的SEM图像强调了孔隙结构的高度一致性（图2H-J）。

图 2. GE-DNA气凝胶的结构和形貌

 

【综合可持续性：可修复性、可回收性和生物降解性】

GE-DNA气凝胶展现出令人印象深刻的可持续性属性，包括自愈性、可回收性和生物降解性。这些功能对于延长材料的生命周期和减少环境影响至关重要。（1）自我修复：通过动态离子氢键实现，以最少的水实现快速结构恢复。（2）可回收性：气凝胶可以解聚和重构，保持其结构完整性和性能。（3）生物降解性：在土壤和堆肥中快速降解，转化为水和二氧化碳，经45天内生物降解率为85.5%证实。图3展示了自我修复、回收和生物降解过程，图像显示恢复的结构和降解阶段。

 

图 3. GE-DNA 气凝胶的可修复性、可回收性和生物降解性

 

【光致发光诱导的超辐射冷却】

 

气凝胶的光致发光特性显着提高了其冷却效率。当暴露在紫外线下时，气凝胶会发出荧光和磷光（GE-DNA气凝胶的磷光和荧光发射分别主要源自DNA和GE），有效地将吸收的紫外线转化为可见光和红外光，从而提高太阳反射率。图4详细介绍了冷却机制、吸收、发射光谱和反射率，突出了气凝胶在不同环境中的效率。（1）光致发光：天然特性，无添加剂，在紫外光照射下发出蓝色荧光。（2）冷却机制：将紫外光转换为可见光和红外光，提高太阳反射率和冷却效率。（3）性能：在可见光范围内实现104.0%的太阳加权反射率，最多可降低环境温度16.0°C。

 

为了评估GE-DNA气凝胶的节能功效，作者进行了建筑能源模拟。模拟结果（图4J）显示，当使用GE-DNA气凝胶作为最外层建筑材料时，整个城市的冷却能耗大幅降低，平均节能68.7%。作者进一步探讨了全年不同气候区的制冷节能情况（图4K）。节能图强调了GE-DNA气凝胶在热带和亚热带气候中的更大潜力。这些实验和理论模拟共同强调了生物质GE-DNA气凝胶的强大冷却性能。

图 4. GE-DNA气凝胶的冷却机理和性能

 

【总结】

本文开发了一种光致发光诱导生物质辐射冷却策略，用于开发可持续且节能的气凝胶，其可见光反射率超过100%，专为有效的日间辐射冷却应用而设计。由DNA和GE制成的全生物质气凝胶具有值得注意的磷光和荧光特性。这种有意的调制牺牲了紫外线反射率，针对可见光区域进行了优化，从而提高了整个太阳光谱的整体反射率。气凝胶独特的多层结构充当了多级阳光进入屏障，将阳光引导至高太阳反射率。微观和宏观效应的协同作用在可见光区域实现了104.0%的出色太阳加权反射率。户外测试表明，GE-DNA生物质气凝胶的冷却效果比环境温度低16.0°C。至关重要的是，通过水辅助制造促进的气凝胶的可扩展生产可以大规模产生各向异性结构（气凝胶板）。这种大规模各向异性结构确保了整体光学均匀性，为广泛应用奠定了坚实的基础。此外，气凝胶完全由生物质原料制成，具有很高的可修复性、可回收性和可生物降解性，在使用寿命期间不会对环境产生不利影响。这种可扩展的生物质冷却材料有望在未来实现节能和可持续的应用，大幅减少碳排放和能源消耗。