進(jìn)入21世紀(jì)，人口的爆炸性增長加速了能源的消耗，進(jìn)而引發(fā)了不必要的能源危機，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的極端天氣。其中，基于空調(diào)的空間制冷和供暖等是能源消耗的重要組成部分之一，每年約占全球能源消耗的12%。在發(fā)達(dá)國家，建筑系統(tǒng)能耗的占比甚至提高到40%以上。盡管已經(jīng)采用了傳統(tǒng)的隔熱材料和相關(guān)的加熱-冷卻設(shè)備，但是目前迫切需要的是開發(fā)具有非能耗或者低能耗的新型熱調(diào)節(jié)材料和技術(shù)。

其中，輻射調(diào)節(jié)被認(rèn)為是一種直接、高效、有前途的方式，通過吸收輸入的陽光調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境溫度，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能。輻射調(diào)節(jié)在很大程度上取決于物理/化學(xué)改性和合成的材料、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有效的功能配合。然而，生物相容性和多功能性對材料要求非常高。同時，復(fù)雜的制備工藝和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計也限制了輻射調(diào)控材料的發(fā)展及其應(yīng)用。為此，合理設(shè)計和制造熱調(diào)節(jié)材料至關(guān)重要，它可以通過可調(diào)節(jié)的物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)顯著提高冷卻或加熱性能。

之前的工作中，已經(jīng)通過反向聚合在織物表面設(shè)計了由聚吡咯和全氟十二烷基三乙氧基硅烷組成的超疏水仿生類黑素體分級納米球織物，實現(xiàn)了人體熱管理溫度調(diào)節(jié)和光熱蒸發(fā)應(yīng)用（Nano Lett. 2022, 22, 9343-9350）。但是在材料穩(wěn)定性和季節(jié)適應(yīng)性溫度調(diào)節(jié)方面仍有不足。基于此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員通過免凍干的方法，設(shè)計了由光熱MXene-CNF層和CNF層組成的Janus結(jié)構(gòu)氣凝膠（JMNA），該氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)可切換的熱調(diào)節(jié)，將被動輻射冷卻和加熱集成到一個材料系統(tǒng)中，以適應(yīng)多變的環(huán)境。

圖1 JMNA季節(jié)適應(yīng)性溫度調(diào)節(jié)機制及制備方案

基于良好的機械性能，Janus氣凝膠可用作季節(jié)適應(yīng)性輻射熱調(diào)節(jié)的智能屋頂。當(dāng)CNF層暴露于外部環(huán)境時，外層高反射率和內(nèi)層低紅外發(fā)射率的結(jié)合使得夏季能夠有效地進(jìn)行被動輻射冷卻。為了應(yīng)對寒冷的冬季，MXene-CNF層可被用作外層，有效將陽光轉(zhuǎn)化為可觀的熱能。產(chǎn)生的熱量可以通過CNF層高紅外發(fā)射率進(jìn)一步傳遞到內(nèi)部環(huán)境，從而產(chǎn)生顯著的被動輻射加熱。Janus結(jié)構(gòu)氣凝膠簡單的制造方法和合理設(shè)計為開發(fā)可擴展的氣候適應(yīng)性熱調(diào)節(jié)材料提供了一條替代途徑。

相關(guān)成果

Small

Engineering Structural Janus MXene-nanofibrils Aerogels for Season-Adaptive Radiative Thermal Regulation

DOI: 10.1002/smll.202302509

項目支持

國家自然科學(xué)基金項目 52073295

中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會 2023133

寧波市科技局項目 2021Z127

國家自然科學(xué)基金委中德交流項目 M-0424

寧波市公益性科技計劃項目 2021S150

中科院王寬誠國際交叉團隊 GJTD-2019-13