苏州纳米所在气凝胶隔热保温新机制及其按需热调控策略方面取得重要进展

气凝胶是一类具有超低密度和热导率的纳米多孔材料，其中以氧化硅气凝胶为代表的一类气凝胶具有优异的综合性能，在生物医药、能源、航空航天、催化、传感、建筑节能减排等领域具有广泛的应用价值。1931年首次报道的气凝胶主要就是氧化硅气凝胶，迄今将近百年的历史。对于这种将近百年历史的材料，最具代表性的应用为隔热保温（Thermal Insulation），其超低热导率往往是解释气凝胶优异热管理（Thermal Management）性能的首要因素。然而，越来越多的研究结果表明，气凝胶在户外应用时，其与环境的热交换产生的热效应可能远大于低热导率的影响，即被动太阳光加热（Passive Solar Heating）、辐射致冷（Passive Radiative Cooling）以及热传导（Conductive and Convection）对气凝胶的热管理行为起到同等重要的作用。

因此，为了深入探索气凝胶的热管理性能，近日中科院苏州纳米所王锦等人设计合成了系列具有不同光学性能（包括不同太阳光透过率和中远红外发射率）的氧化硅气凝胶，系统研究了自然环境下氧化硅气凝胶的热管理行为，并获得以下结果：氧化硅气凝胶在室内环境下表现出优异的隔热保温性能，与文献报道的结果一致，也符合近百年来对气凝胶热管理行为的认知（图1）。然而，在室外环境，由于氧化硅气凝胶与太阳光和环境的相互作用，日间表现出极为严重的温室效应，气凝胶模拟建筑内部温度远高于外界温度（与理应隔绝外界高温的传统理念相反），而在夜间又展现出强劲的辐射降温能力，并未出现“本应”隔热保温的结果（图2）。

图1. 低热导率赋予的氧化硅气凝胶优异隔热性能（a~g）及其机理示意图(h) 

图2. 氧化硅气凝胶的被动太阳光加热(a)和辐射降温性能(b) 

为此，在前期工作基础之上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 46569; Nanomaterials 2023, 13, 467)，该团队提出了如图3所示的气凝胶隔热保温新机制：即氧化硅气凝胶的热管理不仅受低热导率的影响，而且还受其光学性质的影响；根据不同的使用环境，通过调控气凝胶的光学性质（如图3d所示的四个维度），实现氧化硅气凝胶的按需热管理调控（On-demand Thermal Management）。

图3. 经典氧化硅气凝胶的光学性能(a,b)、隔热保温热管理新机制示意图(c)以及光学设计实现按需热管理调控机制示意图(d) 

在揭示气凝胶隔热保温热管理新机制及其按需热调控策略之后，进一步通过结构设计制备了系列具有不同太阳光透过率和中远红外发射率的氧化硅气凝胶（如图4所示），成功地获得了符合传统认知的热管理结果（图5）：如在炎热高温环境下，采用高太阳光反射率的气凝胶作为隔热墙体，成功降低了温室效应及其模拟建筑物内部温度；采用不同发射率的气凝胶作为建筑保温材料时，发射率越低，其被动降温效果越弱。最后在同时具有高太阳光反射率和低发射率的气凝胶模拟建筑物内放置相变材料（提供初始热能），成功地实现了夏季极端高温天气下的日间降温（内部温度低于外界环境温度）以及秋冬寒冷环境的保温（内部温度高于外界环境温度）（图5e，5f）。

图4. 氧化硅气凝胶光学性能（可见光透过率和反射率、中远红外发射率）的调控策略

图5. 氧化硅气凝胶光学性能调控实现自主按需热管理应用

该工作不仅发现氧化硅气凝胶的“怪异”热管理行为，而且揭示了其原因，并在此基础之上提出了气凝胶隔热保温新机制及其调控策略，最终实现氧化硅气凝胶的按需热管理调控。相关研究结果有助于重新认识近百年发展史的氧化硅气凝胶，为充分发挥气凝胶的极致热管理能力提供重要参考和调控策略，特别为自然环境下最大发挥气凝胶的隔热保温性能提供设计原理，为如何使用气凝胶、完美实现气凝胶的热管理行为、以及助力建筑节能减排提供科学依据和解决方案，该工作以Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室硕士生王静，通讯作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员和李清文研究员。该论文获得了国家自然科学基金重大研究计划项目以及苏州市科技局基础研究试点项目等资助。

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