具有日间辐射/蒸发制冷、夜间大气捕水、隔热功能的双层制冷器用于高性能、可持续的日间被动式制冷

2024年4月，华南理工大学孙大文院士团队在国际期刊Chemical Engineering Journal（Top，IF=15.1）发表题为“Cactus-Inspired Bilayer Cooler for High-Performance and Long-Term Daytime Passive Cooling”的研究性论文，孙大文院士为本文唯一通讯作者，徐亮博士研究生为第一作者。

在过去的一个世纪里，传统的机械压缩制冷系统推动了食品工业的发展。但其耗电量大、造成温室气体的排放，促进了全球能源短缺与温室效应。以日间辐射制冷与蒸发制冷相耦合的被动式制冷技术因其无需耗电即可实现制冷的特点，有望缓解能源短缺与温室气体排放的问题。受沙漠的仙人掌启发，本文开发了一种具有日间辐射/蒸发制冷、夜间大气捕水、隔热功能的双层制冷器。其中，该制冷器由顶层的气凝胶与底层的水凝胶组成。气凝胶既可实现日间辐射制冷，又可通过隔热性能减少环境热量对制冷器的影响，提升了制冷器的制冷性能。水凝胶作为储水容器，在日间高温实现蒸发制冷，在夜间实现大气捕水，可为下一次日间制冷提供足够的水分，从而实现可持续的制冷方式。户外试验表明，双层制冷器的制冷性能均高于单一气凝胶或单一水凝胶的制冷性能。

研究亮点

双层制冷器由气凝胶与水凝胶组成，用于日间被动式制冷。

气凝胶可实现日间辐射制冷与隔热性能。

气凝胶具有良好的疏水性，可实现自清洁功能。

水凝胶可实现日间蒸发制冷与夜间大气水分捕集功能。

双层制冷器的蒸发制冷性能可由气凝胶与水凝胶的厚度调控。

研究结论

气凝胶具有高太阳反射率（~0.95）、高大气窗口发射率（~0.94）、低导热系数（~42 mW m-1 K-1）。

气凝胶具有良好的疏水性（静态水接触角约为138°），可在一定角度下实现雨水自清洁功能。

水凝胶具有良好的吸湿性，其夜间吸湿的水量可完全补偿日间蒸发的水量。

相比于~30℃的环境温度，由气凝胶与水凝胶组成的双层制冷器可降温~8℃，制冷功率为~222 W m-2。

随着气凝胶的厚度增大，双层制冷器的制冷量下降但制冷时间延长。而随着水凝胶的厚度增大，双层制冷器的制冷量不变且制冷时间延长。

图1. 双层制冷器设计的原理图

图2. 双层制冷器的制备流程图

图3. 气凝胶的光谱特性、导热系数以及孔隙率

图4. 水凝胶的溶胀特性、吸湿特性以及制冷性能评估

图5. 户外现场试验用于评估双层被动制冷器的制冷性能

专家团队介绍：