《Advanced Functional Materials》：一種智能、可回收、可適應晝夜和全年節能的生物質薄膜

  • 2024-06-28 08:30
  • 生物基科研前瞻

建築佔世界總能耗的40%以上，其中近一半用於空間供暖和製冷。預測表明，到2050年，製冷需求將增加83%，供暖需求將增加79%。減少與建築能耗相關的碳足跡對可持續發展至關重要。採用綠色和可持續能源，以及開發新技術，可以遏制能源使用和溫室氣體排放。爲了實現這一目標，應當合理利用自然中的固有輻射源，外層空間(3k)和太陽(6000k)。在日間輻射冷卻時，建築物必須具有高反射率(0.3-2.5µm)和高發射率(8-13µm)。相反，對於輻射供暖，建築物必須具有高吸光度(0.3-2.5µm)。因此，專爲季節適應輻射熱調節而設計的Janus結構材料提供了一種很有前途的解決方案，受到人們的關注。

近日，四川大學趙海波教授團隊報道了一種可回收、自適應晝夜，全年節能的生物質薄膜。這種薄膜利用多孔乙酰化纖維素(AC)作爲冷卻側基質，在炎熱的白天實現高效的輻射冷卻(降低8.5°C)，在寒冷的夜晚最大限度地減少過度冷卻(僅降低2.5°C)。高太陽反射率(96.3%)和廣譜紅外發射(95.4%)促進了這一性能，優化了大氣熱調節。背面塗有炭黑(CB)，顯示出優越的太陽能加熱(增加20.9°C)，允許通過翻轉薄膜在冷卻和加熱之間輕鬆切換。此外，該薄膜採用溶劑反應乙基纖維素(EC)粘附，確保了其耐用性，並且能夠完全回收和再利用。這種薄膜具有抗紫外線(UV)、自清潔和耐用性以及智能熱管理性能，爲先進的輻射熱管理材料提供了新的思路，可以在白天/夜間和夏季/冬季進行自適應控制。

相關工作以“An Intelligent, Recyclable, Biomass Film for Adaptive Day-Night and Year-Round Energy Savings”爲題發表於《Advanced Functional Materials》。


/ 薄膜的製備和表徵 /

智能薄膜的製備如圖1c所示，首先將AC粉末溶解在DMAc(二甲基乙酰胺)中，並將所得的溶液塗在玻璃表面，然後風乾揮發部分DMAc。隨後，將材料浸入冷凝浴中，通過DMAc與水之間的強相互作用誘導相分離。隨着DMAc和水的蒸發，形成微納米孔結構。然後，採用噴塗技術將CB和EC的混合物粘貼到AC的一側。最後成功開發了一種由環保成分製成的多模式薄膜。


圖1. 智能薄膜的結構與製備工藝。

多模智能薄膜在其兩側表現出不同的視覺特徵(圖2a,b)。在冷卻側，SEM觀察到多個納米球形成的多孔分層結構(圖2c)，平均孔徑在0.15 ~ 2.25µm之間，滿足有效反射太陽輻射的標準，並且通過調節AC溶液的濃度可調整孔徑大小。爲了實現最強的陽光反射，作者選擇了平均孔徑爲0.57µm (AC-18)的AC薄膜作爲多模薄膜基質。截面圖(圖2d)顯示加熱側和冷卻側的緊密連接，加熱側厚度爲2µm，膜的總厚度達到300µm。冷卻側具有高達96.3%的反射率，加熱側的吸光度則達到了91.1%，表現出優異的適應能力。

圖2. 多模式智能薄膜的表徵。

/ 智能輻射熱管理 /

作者使用定製的設備測量各種場景下的實時溫度和相應的環境溫度(圖3a)。在夏季晴朗的白天，平均太陽輻射功率爲873 W m−2，冷卻側的亞環境溫度平均降低了8.5°C(圖3b, c)。到了夜晚，冷卻側的平均亞環境溫度僅下降2.5°C(圖3d,e)，表明多模式薄膜通過寬帶輻射有效抑制了夜間過冷。總體表現出自適應熱管理，白天實現輻射冷卻，夜間抑制過度冷卻，且無需翻轉，不僅降低了人工成本，而且延長了材料的使用壽命。進一步通過模型木屋模擬真實環境下的熱管理效果（圖3f），當暴露於超過 700 W m−2 的太陽輻射時（圖3g），帶有冷卻層的木屋表現出明顯較低的平均室內溫度，爲35.4°C（圖3h），與未覆蓋的木屋的平均室內溫度達到了44.3°C。相反，帶有加熱層的木屋的室內平均溫度高達59.2°C，大大超過了裸露的木屋。表明所開發的智能膜在實際建築節能領域具有廣闊的應用前景。

圖3. 多模式智能薄膜的智能輻射熱管理性能。

/ 可回收性和耐久性 /

通過利用不同組分溶解度差異，可以系統地分離和提取智能薄膜(圖4a)。首先將薄膜浸泡在熱丙酮溶液中，從而分離出炭黑成分。將溶解於丙酮中的AC/EC溶液引入水中，使AC/EC組分析出。然後，將AC/EC粉末使用熱乙醇溶解，再次通過溶解-沉澱過程提取得到AC。此外，回收組分可被重新構建智能薄膜，其外觀與原始相比幾乎沒有變化。回收樣品的光學分析顯示，冷卻側的反射率爲96.8%(圖4b)，加熱側的吸光度高達89.6%，與原始樣品的光學性質一致。

最後，這種智能薄膜具有優異的耐候性和抗污性。冷卻側的水接觸角爲140°，加熱側的水接觸角爲120.5°，具有良好的疏水性，保證了其抗污性。即使曝光長達 30 天后，薄膜的反射率也沒有下降，突顯了其出色的長期耐久性。在連續暴露於紫外線環境7天后，薄膜仍保持相似的反射率。這種多模式薄膜在解決現實環境中的各種挑戰方面具有巨大的潛力，如圖4c所示。其出色的冷卻效率、獨特的可回收性、耐用性和對全生物質基質的利用（圖 4d）使其成爲下一代建築冷卻材料的有前途的替代品。

圖4. 智能薄膜的回收與耐久性。

/ 總結 /

在本工作中，作者採用全生物基原料，成功開發出一種可回收的多模式智能薄膜。該薄膜可實現建築物的自適應晝夜和全年能源效率。在冷卻模式下，薄膜用作寬波段輻射器，利用大氣作爲溫度調節器。憑藉高寬波段發射率（95.4%）和太陽反射率（96.3%），日間降溫效率（8.5°C）和夜間降溫效果（2.5°C）均表現出色，在各種場景下均具有適用性。切換到加熱模式後，該薄膜裝飾有超薄炭黑裝飾，實現了高太陽能吸收率（91.1%），確保了卓越的太陽能加熱能力。值得注意的是，多模薄膜在冷卻和加熱模式之間無縫轉換，以適應季節變化。值得注意的是，薄膜的可回收性爲解決建築廢物處理挑戰提供了可持續的解決方案。其附加屬性，包括出色的抗紫外線性、自清潔性和耐用性，增強了其實用性。這項工作代表了對智能輻射熱管理的重大貢獻，提供了自適應的晝夜和全年能源效率，並有助於推進下一代可持續建築熱管理。


原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202403061

免責聲明：資料來源於網絡，轉載的目的在於傳遞更多信息與分享，並不意味着贊同其觀點或證實其真實性。僅提供交流平臺，不爲其版權負責，如涉及侵權，請聯繫我們及時修改或刪除。


投稿郵箱：[email protected]

合作、交流、諮詢、轉載請添加微信：Bio_based