研究背景

随着全球变暖与能源需求增长，被动冷却技术因其无电能消耗的优势成为研究热点。传统蒸发冷却材料(如吸湿性水凝胶)利用水分蒸发实现降温，但日间太阳辐射与环境热增益显著削弱其亚环境冷却效果。现有策略虽然可以利用隔热层降低辐射冷却层的热增益，但由于传热和传质(液态及气态水)的高度耦合，在隔热的同时亦增加了水汽扩散的阻力，难以兼顾实际应用中高冷却功率与水再生的需求。

Anisotropic Hygroscopic Hydrogels with Synergistic Insulation-Radiation-Evaporation for High-Power and Self-Sustained Passive Daytime Cooling

Xiuli Dong, Kit-Ying Chan, Xuemin Yin, Yu Zhang, Xiaomeng Zhao, Yunfei Yang, Zhenyu Wang, Xi Shen*

Nano-Micro Letters (2025)17: 240

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01766-5

本文亮点

1. 受人体皮肤结构的启发，通过利用水凝胶内部和外部的双重定向结构，开发了一种各向异性的隔热-辐射-蒸发冷却器。

2. 通过多尺度工程同时调节传热和传质(液态水与水蒸气)，有助于白天实现高功率冷却，并在夜间实现水的自我再生，不需要外接水源，支持多云/晴天全气候连续多日运行。

3. 该冷却器在阳光直射下实现约 8.2 °C 的平均冷却温度，冷却功率高达311 W/m2。

内容简介

吸湿性水凝胶是一种极具前景的蒸发冷却材料，可不依赖于外界的水供给实现高功率被动式日间制冷。然而，过多的太阳辐射和环境热量使得维持低于环境温度的日间制冷成为一项挑战。虽然现有工作已经开发出不同的策略来减少热量增益，但由于传热和传质(液态水与水蒸气)的高度耦合，这些策略不可避免地会牺牲蒸发速率和水的再生。

香港理工大学沈曦助理教授研究团队开发了一种各向异性、协同隔热-辐射-蒸发(ASPIRE)的水凝胶冷却器，用于全天候、水自给和可持续的被动式亚环境冷却。ASPIRE冷却器是一个内外双取向结构的吸湿性水凝胶，模仿人体皮肤汗腺-毛发结构，以实现热(包括辐射和传导)和水(包括液体和蒸汽)的协调输运。在阳光直射下实现约 8.2 °C 的平均冷却温度，冷却功率高达311 W/m2。进一步研究冷却机制表明，ASPIRE 冷却器在不影响蒸发的情况下降低了太阳辐射和环境热量增益。此外，无论晴天还是阴天，通过夜间水的自再生，都可以实现持续多日的连续制冷。本工作的协同设计为高功率、可持续和全天候被动冷却应用提供了新的思路。

图文导读

I ASPIRE 冷却器的设计原理

图 1a展示了热和质量传输方面的设计原则，包括：(i)水凝胶与环境之间的高辐射热阻，以实现高长波红外发射和低太阳热增益；(ii)水凝胶与环境之间的高传导热阻，以实现低环境热增益；(iii)水凝胶与环境之间的低水蒸气传输阻力，以实现高蒸发冷却能力；和(iv)水凝胶内的低水传输阻力，以便在高热阻引起的低温和高湿度下使负载吸湿性盐的水凝胶保持有效蒸发。因此，受皮肤结构(具有垂直汗腺和毛发以有效散热)的启发，我们利用吸湿性水凝胶内外的双重对齐结构来实现热量和水分的协调输运，开发出了一种 ASPIRE 冷却器，如图1 d 所示。内部含有垂直取向的亲水性PVA链的PVA-LiCl水凝胶使水在水凝胶中扩散畅通无阻，即使在白天有LiCl的情况下也能有效冷却，并在夜间实现水分的自我再生。外部气凝胶“毛发”由垂直排列的疏水性h-BN和交联羧甲基纤维素(CMC)-PVA(XCP)基质构成，具有较高的长波红外发射率、较高的太阳反射率和较低的热导率，从而增强了水凝胶与环境之间的辐射和传导热阻，有助于提高发射功率，同时降低太阳和环境的热增益。同时，VBN/XCP气凝胶的疏水性和垂直孔道确保了水蒸发时较低的蒸汽扩散阻力，从而最大限度地减少了对底层水凝胶蒸发冷却能力的影响。

图1. 受皮肤结构启发的 ASPIRE 冷却器的设计原理。

II ASPIRE 冷却器的制备和形貌

如图 2a所示，通过单向冷冻铸造法分别制备具有垂直排列结构的的V-PVA-LiCl水凝胶(内部)与VBN/XCP气凝胶(外部)。SEM显示水凝胶内部为直径约10 μm的垂直微通道，气凝胶则为蜂窝状垂直孔壁结构。接触角测试证实气凝胶具有优异的疏水性(142°)，吸湿水凝胶具有高度亲水性(可快速吸水)。由于强大的界面黏附力以及高度多孔且可压缩的气凝胶能够与水凝胶可逆地改变其尺寸，双层结构在蒸发或膨胀过程中仍然保持良好的结构稳定性。水凝胶内部和外部的双重排列以及它们在疏水性方面的巨大差异使得热(辐射和传导)和水(液体和蒸汽)传输能够协调优化，协同促进白天的高冷却能力和夜间的水自我再生。

图2. ASPIRE冷却器的制备与结构表征。(a)内外取向结构的制备过程；(b) ASPIRE冷却器的照片；(c) 内外层之间的强界面粘附；(d, e) 外层气凝胶层的表面与截面SEM图像；(f, g) 内层水凝胶层的表面与截面SEM图像。

III 水凝胶内部低水传输阻力，增强蒸发和再生

通过比较 V-PVA-LiCl 水凝胶和随机多孔 PVA-LiCl (R-PVA-LiCl) 水凝胶的水分蒸发性能 (图 3a, b)，探讨了垂直取向结构在降低水传输阻力方面的重要性。实验显示，垂直结构在40°C、40%湿度下的蒸发速率(0.366 kg·m⁻2·h⁻1)比随机结构高16.2%，且能在低温(20 °C)与高湿(85% RH)下维持正冷却功率(56 W·m⁻2)。模型分析表明，垂直通道通过降低液态水传输阻力主导蒸发性能提高。夜间吸湿测试中，垂直结构的吸湿速率(0.218 kg·m⁻2·h⁻1)比随机结构高17%，验证了其自再生能力。

图3. V-PVA-LiCl水凝胶的水蒸发与再生性能。(a) V-PVA-LiCl 水凝胶比(b)随机多孔水凝胶中液体和蒸汽传输更好的机制；(c) 在 40 °C 和 40% RH 下测量的 V-PVA-LiCl 和R -PVA-LiCl 水凝胶的质量变化模型和实验结果；(d) 在相同的湿度 40% RH 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率。(e) 在相同的温度 40 °C 下，两种水凝胶在不同 RH 下的蒸发速率和计算的冷却功率；(f) 在连续蒸发(40 °C，40% RH)和再生(25 °C，80% RH)期间测量的V -PVA-LiCl 和 R-PVA-LiCl 水凝胶的质量变化。

IV 外部高热阻、低蒸汽传输阻力，以减少热增益并提高冷却功率

通过优化PVA链之间的分子交联和设计纳米孔壁结构来实现辐射热传输需要依赖于波长的光吸收调控。通过MTMS分子交联优化LMIR红外发射率，图3a, b的FTIR与光谱测试显示，MTMS分子交联(Si-O-C、Si-O-Si键)增强了VBN/XCP气凝胶LWIR发射率(97%)。使用h -BN 纳米片作为填料进一步实现纳米结构粗糙孔壁，提高了VBN/XCP气凝胶太阳光反射率(96.5%)。同时分子交联和纳米结构工程也使其具有优异的疏水性(图3e)。

由于垂直排列的孔隙结构，气凝胶表现出高度各向异性的热导率。20 wt% h-BN负载量的VBN/XCP气凝胶实现优异的各向异性导热( 横向16.12 mW m⁻1  K ⁻1和 垂直取向110 mW m⁻1  K ⁻1)。将尺寸为 5 cm × 5 cm × 0.5 cm 的气凝胶样品放在热台上，通过测量表面温度响应(60 °C热台，温差26.3 °C)，图4f进一步证明了VBN/XCP气凝胶引起的高导热热阻。图4g显示，与其他常见的辐射冷却或绝缘材料相比，VBN/XCP气凝胶展现出最全面的辐射和传导热传输性能。图4i蒸汽输运测试显示，5 mm厚VBN/XCP气凝胶仅使水凝胶蒸发速率降低10%，而随机气凝胶或商用SiO₂气凝胶分别降低19.2%与51%，证实垂直孔道的低扩散阻力。

图4. VBN/XCP气凝胶的辐射、导热和蒸汽传输特性。(a) XCP和VBN/XCP气凝胶的太阳和LWIR吸收光谱；(b) CP、XCP和 VBN/XCP气凝胶的 FTIR光谱。(c) XCP和 VBN/XCP气凝胶的 SEM 图像；(d) 不同h-BN负载量的 VBN/XCP气凝胶的太阳加权反射率和热导率；(e) 对比有无 MTMS交联的 VBN/CP 气凝胶的润湿状态与水接触角；(f) 热台和 VBN/XCP气凝胶表面之间的温差与台面温度的关系图。插图显示了温度为 60 °C 的热台上 VBN/XCP气凝胶的红外图像；(g) VBN/XCP气凝胶与其他常见辐射冷却或隔热材料的主要性能比较；(h)具有不同厚度 VBN/XCP气凝胶的 ASPIRE 冷却器在 40 °C和 40% RH下蒸发时的温度；(i) 在 40 °C和 40% RH下测量V-PVA-LiCl水凝胶(无气凝胶覆盖)和覆盖不同气凝胶时的质量变化。

V ASPIRE冷却器晴天持续亚环境冷却性能和协同冷却机制

进行了室外冷却测试，以实验方式证明ASPIRE冷却器的被动式亚环境冷却性能，其表现在两个关键性能指标上，即亚环境冷却温度 ΔT和冷却功率。图5a, b展示了ASPIRE冷却器在香港晴天进行持续 24 小时的户外冷却实验，中午峰值阳光强度约为 900 W m⁻2。ASPIRE实现优异的日间制冷性能，日间平均冷却温度8.2°C，最大温差11.4 °C，平均冷却功率311 W·m⁻2(蒸发贡献64%，辐射36%)。质量变化曲线显示其夜间吸湿完全恢复初始水量，而单一水凝胶因缺乏隔热层导致热增益显著，过度蒸发水分耗尽。热增益分析表明，ASPIRE的总热增益(40 W m⁻2)显著低于单一水凝胶(302.5 W m⁻2)，突显协同设计的优势。

图5. ASPIRE冷却器的亚环境冷却性能和协同隔热–辐射–蒸发冷却机制。(a) 用于测量户外测试中冷却性能的实验装置示意图和照片；(b) 测试期间的太阳光强度和湿度曲线；(c) 测试期间的亚环境冷却温度ΔT；(d) 测试期间ASPIRE冷却器、辐射冷却器(即 VBN/XCP 气凝胶)、蒸发冷却器(即 V-PVA-LiCl水凝胶)和环境的温度以及ASPIRE冷却器的质量变化；(e) 蒸发和辐射冷却功率对ASPIRE冷却器总冷却功率的贡献；(f) 各种冷却机制对ASPIRE、辐射和蒸发冷却器总冷却功率的贡献；(g) 不同日照强度下 ASPIRE冷却器与其他冷却器的被动冷却功率比较。

VI 全天候、自持续多日冷却性能

为了证明 ASPIRE 冷却器有效的全天候冷却性能，还在阴天进行了户外测试(图6 a, b)。图6c测试结果显示ASPIRE冷却器可以保持5.5 °C亚环境冷却温度，而纯辐射冷却器难以维持冷却效果。此外，48小时连续实验显示其日均冷却温差稳定于7.8 °C，且气凝胶在7天户外暴露后光学性能未衰减。对比140天前后的户外冷却实验，冷却温差仅波动0.2 °C，证明其优异的耐久性。

图6. ASPIRE 冷却器的全天候、自持续多日冷却性能。(a) 进行室外冷却性能测试时阴天(2023年9月4日，中国香港)的日照与湿度数据。插图显示了测试期间拍摄的阴天照片；(b) 三个冷却器的温度和(c) 低于环境温度的冷却温度(ΔT)；(d) 2023年9月19日至21日在中国香港进行48小时连续测试期间的日照与湿度数据；(e) 连续48小时测试ASPIRE冷却器和环境温度的变化。

VII 总结

综上所述，我们开发了一种仿生人体皮肤结构的ASPIRE冷却器，白天具有协同隔热-辐射-蒸发功能，夜间具有水再生功能，可同时提供高被动冷却功率、长冷却时间、全天候和水自给的多日冷却性能。通过多尺度工程设计双重各向异性结构，协调传热传质，实现了高效的协同被动冷却和水再生。ASPIRE冷却器中协调的热传输(包括传导和辐射)和水传输(包括液体和蒸汽)实现了协同隔热-辐射-蒸发冷却机制，其中低热增益受益于外部取向气凝胶，亦无需牺牲内部取向水凝胶的蒸发和再生。该协同冷却机制在阳光直射下产生了311 W m⁻2的冷却功率，超越了现有的冷却器，并实现了平均约8.2 °C亚环境冷却温度。ASPIRE冷却器在晴天和阴天均可实现持续的日间被动冷却，并在夜间进行水的再生，展现出全天候冷却应用的巨大潜力。

作者简介

沈曦

本文通讯作者

香港理工大学 助理教授

▍主要研究领域

聚合物基纳米复合材料的设计和可控制备；气凝胶、水凝胶纳米复合材料；各向异性热管理复合材料；光热管理功能复合材料。

▍主要研究成果

香港理工大学航空及民航工程学系助理教授，博士生导师。于香港科技大学机械及航天工程学系获得博士学位，曾任香港科技大学研究助理教授、德国凯泽斯劳滕复合材料研究所(IVW GmbH)洪堡学者。近年来主持开展国家及香港特别行政区的多项基础与应用研究研项目，涉及开发纳米复合材料及热管理应用。已发表期刊论文71篇、1 章著作章节、获授权1 项专利。近年来，一系列研究成果发表于材料科学/纳米科学领域权威期刊 Nature Communications, Progress in Materials Science, Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, ACS Nano, Nano Letters, Materials Horizons等，在 Web of Science 上被引用超过 8200 次，入选全球前 2% 被引用次数最多的科学家。他曾在重要的地区和国际会议上获得两项最佳论文奖，包括在第 20 届国际复合材料大会(ICCM-20)上获得著名的Tsai Award(全球每两年评选一人)。他还曾于 2011 年和 2017 年分别获得香港政府博士奖学金(Hong Kong PhD Fellowship)和亚历山大-冯-洪堡学者(Alexander von Humboldt Research Fellowship)称号。

▍Email：xi.shen@polyu.edu.hk

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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