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隨著全球冷卻需求持續(xù)增長,傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高能耗問題日益突出。被動輻射冷卻技術(shù)通過大氣窗口將熱量以紅外輻射形式散發(fā)至外太空,實現(xiàn)零能耗冷卻,成為研究熱點。然而,現(xiàn)有輻射冷卻材料,如無機物、金屬基和有機聚合物,往往依賴有毒溶劑且難以降解,導(dǎo)致環(huán)境污染。生物質(zhì)材料雖環(huán)保,但天然纖維的隨機多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致太陽散射效率低,反射率不足90%,限制了其應(yīng)用。
近日,南京林業(yè)大學(xué)梅長彤教授、劉朝政副教授和中國石油大學(xué)(華東)李美春教授合作開發(fā)出全生物質(zhì)仿生荊棘纖維輻射冷卻材料。受Dendrocnide moroides植物硅針結(jié)構(gòu)的啟發(fā),團隊通過水熱處理纖維素納米晶體,結(jié)合Na?介導(dǎo)的靜電自組裝和直接墨水書寫3D打印技術(shù),制備出具有有序結(jié)構(gòu)的仿生荊棘纖維。該材料在可見光波段平均反射率達91.0%,大氣窗口內(nèi)發(fā)射率達92.4%,展現(xiàn)出卓越的白天輻射冷卻能力。此外,將其集成于梯度結(jié)構(gòu)熱電發(fā)電機中,可在30°C溫差下實現(xiàn)7.61 W m?²的輸出功率密度,為電子元件廢熱回收提供了新方案。相關(guān)論文以“Sustainable All-Biomass Radiative Coolers with Biomimetic Thorny Fiber for Enhanced Thermoelectric Power Generation”為題,發(fā)表在Advanced Materials上,論文第一作者為Shi Xiaojie。研究團隊從Dendrocnide moroides葉面的硅針結(jié)構(gòu)獲得靈感,這些針狀結(jié)構(gòu)能有效散射光線。通過DIW打印技術(shù),使用纖維素納米纖維和脫硫纖維素納米晶體混合墨水,制備出仿生荊棘纖維。掃描電鏡圖像顯示,打印的BTF具有類似木質(zhì)部的分層多孔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)增強了光散射和紅外輻射。能量流圖和光學(xué)原理圖表明,高反射率和高發(fā)射率是高效輻射冷卻的關(guān)鍵。FTIR光譜證實了BTF在大氣窗口內(nèi)的化學(xué)鍵振動,支持其冷卻能力。 |