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  在全球能源危機與“雙碳”戰略背景下，輻射冷卻和光熱轉化效應作為可持續、無污染的技術受到廣泛關注。近年來，研究人員提出開發具有季節自適應能力的Janus結構熱管理裝置，通過冷卻/加熱雙模式動態切換實現全年溫度調控，有效解決了傳統靜態冷卻模式與季節動態變化之間的矛盾。如何同時實現高效日間冷卻和晝夜溫度平衡調控仍然是輻射冷卻領域重大挑戰之一。

  近期，北京化工大學汪曉東教授、劉歡副教授團隊報道了一種具有雙層結構的Janus氣凝膠/相變材料復合體系，通過相變材料耦合實現了高效的輻射冷卻和太陽能加熱。該研究將輻射冷卻、光熱轉化、相變儲能三種效應集為一體，制備了具有全天候季節自適應溫度調控作用的Janus結構復合材料，并通過各向異性結構進一步優化不同功能層的熱傳導特性，在提升相變材料溫度響應速率的同時，有效抑制熱傳導/熱對流對亞環境溫度的干擾。

  該研究成果以“Weather-Adaptive Janus Aerogel Integrated with Phase Change Materials Enables Dual-Mode Thermal Regulation via Radiative Cooling and Solar Heating”為題發表在國際學術期刊《Advanced Functional Materials》。論文的共同第一作者為北京化工大學材料學院碩士生劉旺旺、董雨濛，通訊作者為汪曉東教授和劉歡副教授。該課題得到了北京市自然科學基金的資助。

  該研究通過定向冷凍及冷凍干燥制備了具有各向異性結構的殼聚糖（CS）/聚甲基硅氧烷（PMS）氣凝膠。該氣凝膠在垂直于孔道的徑向表現出0.038 W·m^–1·K^–1的低熱導率，同時兼具太陽輻射波段91.49%的高反射率以及大氣窗口波段94.09%的高發射率。通過真空浸漬工藝將十八烷（C₁₈）相變材料填充在各向異性CS/六方氮化硼（h-BN）氣凝膠的孔隙中，得到具有定向導熱通路的CS/h-BN@C₁₈相變復合材料。h-BN沿氣凝膠骨架定向排列，致使CS/h-BN@C₁₈相變復合材料在平行于孔道的軸向表現出1.102 W·m^–1·K^–1的高熱導率。此外，CS/h-BN@C₁₈相變復合材料具有170 J·g^–1以上的高潛熱焓值以及優異的熱循環穩定性。通過環氧樹脂（EP）/可膨脹石墨（EG）涂層封裝CS/h-BN@C₁₈相變復合材料得到CS/h-BN@C₁₈@EP/EG復合材料。結果表明，EP/EG涂層進一步降低了相變復合材料的泄漏率，同時賦予其在太陽輻射波段95.98%的高吸收率，能夠高效地進行光熱轉化作用。

圖1 雙層結構Janus氣凝膠/PCM復合材料的設計和工作原理

  圖1展示了雙層結構Janus氣凝膠/相變材料（PCM）復合材料的設計和工作原理。a）復合結構示意圖，突出了與PCM集成的輻射冷卻層（頂部）和太陽能加熱層（底部）的關鍵特征。b）展示不同環境條件下雙模功能的操作機制：輻射制冷（白天/夏季）和太陽能供暖（白天/冬季）。c） 熱能調節過程，顯示PCM介導的能量儲存（吸熱）和釋放（散熱）以實現溫度穩定。輻射冷卻層由聚甲基硅氧烷（PMS）改性的殼聚糖（CS）氣凝膠組成，具有低導熱性（0.038 W m^?1 K^?1）、疏水性、阻燃性、高太陽反射率（91.49%）和高紅外發射率（94.09%）。太陽能加熱層是通過用正十八烷（C18）PCM浸漬CS/六方氮化硼（h-BN）復合氣凝膠并用環氧樹脂（EP）/膨脹石墨（EG）復合材料涂覆而制備的。該層具有高導熱性（1.102 W m?1 K^?1）、大潛熱容量（174.2 J g^?1）、可逆相變、強太陽能吸收（95.98%）和優異的防泄漏性能。

圖2 CS/PMS氣凝膠的軸向/徑向結構表征和實物圖

  圖2展示了CS/PMS復合氣凝膠的微觀形貌與實物圖，可以看到復合氣凝膠表現出各向異性孔隙率，沿其軸向和徑向橫截面具有明顯的結構特征。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示，純CS氣凝膠在軸向和徑向方向上都顯示出多層垂直堆疊的結構。加入PMS后，軸向平面形成了不均勻的孔隙分，而徑向取向保持了其分層結構，但隨著PMS含量的增加，層間間距減小。這種結構演變歸因于CS基質和PMS微球之間的氫鍵相互作用，PMS微球是通過甲基三甲氧基硅烷（MTMS）水解形成的。這些相互作用增強了CS骨架內的交聯，從而壓縮了層間間隙。同時，PMS微球的尺寸與太陽波長（≈0.3-2.5μm）相當，通過米氏散射增強了陽光反射率。此外，PMS含量的增加減少了冷凍干燥過程中的殘留水，促進了CS骨架的緊密堆積，并產生了更致密的內部微觀結構。

圖3 雙層結構Janus氣凝膠/PCM復合材料系統的性能分析

  圖3通過理論計算和建筑能耗模擬，評估了 Janus 氣凝膠/PCM 復合材料的節能潛力。如圖3（a、b）所示，未復合C₁₈相變材料的復合材料在日間和夜間的凈冷卻功率分別為59.3 W·m^–2、111.1 W·m^–2，夜間的凈冷卻功率明顯高于日間的凈冷卻功率，該現象歸因于復合材料在日間所吸收的太陽輻射會削弱相應的冷卻性能。然而，夜間過高的凈冷卻功率可能會導致過冷現象的產生，不利于維持人體舒適的亞環境溫度。相比之下，圖3（c、d）顯示復合材料在日間和夜間的凈冷卻功率分別為81.6 W·m^–2、88.9 W·m^–2，表明相變材料能夠有效通過熔融相變吸熱來增強復合材料的日間輻射冷卻性能，而在夜間則通過結晶相變放熱以削弱復合材料的夜間輻射冷卻性能。

  此外，該研究通過EnergyPlus驗證了Janus結構復合材料在不同氣候區的普適性節能效果，為建筑節能材料的應用提供了重要理論支撐。由于全國不同地區存在氣候差異，因此不同城市的制冷和供暖月份有所不同。不同地區的建筑制冷能耗存在較大差異，并且將Janus結構復合材料作為建筑維護結構時，其建筑節能量隨著建筑能耗的增加而增加。結果表明，全國15個地區建筑制冷平均節能比為23.38%、制冷平均節能量為6.05 MJ·m^–2；其中，處于熱帶季風氣候的三亞全年的建筑制冷能耗最高可達95.62 MJ·m^–2，對應11.74 MJ·m^–2的最大節能量，表明該材料在制冷模式下具有良好的制冷性能。此外，全國15個地區建筑供暖平均節能比為15.33%、供暖平均節能量為8.03 MJ·m^–2。由此表明Janus結構復合材料在供暖模式下的節能效應同樣顯著。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202513665