進入21世紀，人口的爆炸性增長加速了能源的消耗，進而引發了不必要的能源危機，甚至出現了嚴重的極端天氣。其中，基于空調的空間制冷和供暖等是能源消耗的重要組成部分之一，每年約占全球能源消耗的12%。在發達國家，建筑系統能耗的占比甚至提高到40%以上。盡管已經采用了傳統的隔熱材料和相關的加熱-冷卻設備，但是目前迫切需要的是開發具有非能耗或者低能耗的新型熱調節材料和技術。

其中，輻射調節被認為是一種直接、高效、有前途的方式，通過吸收輸入的陽光調節內部環境溫度，進而實現節能。輻射調節在很大程度上取決于物理/化學改性和合成的材料、合理的結構設計和有效的功能配合。然而，生物相容性和多功能性對材料要求非常高。同時，復雜的制備工藝和多層結構設計也限制了輻射調控材料的發展及其應用。為此，合理設計和制造熱調節材料至關重要，它可以通過可調節的物理或化學結構顯著提高冷卻或加熱性能。

之前的工作中，已經通過反向聚合在織物表面設計了由聚吡咯和全氟十二烷基三乙氧基硅烷組成的超疏水仿生類黑素體分級納米球織物，實現了人體熱管理溫度調節和光熱蒸發應用（Nano Lett. 2022, 22, 9343-9350）。但是在材料穩定性和季節適應性溫度調節方面仍有不足。基于此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員通過免凍干的方法，設計了由光熱MXene-CNF層和CNF層組成的Janus結構氣凝膠（JMNA），該氣凝膠能夠實現可切換的熱調節，將被動輻射冷卻和加熱集成到一個材料系統中，以適應多變的環境。

圖1 JMNA季節適應性溫度調節機制及制備方案

基于良好的機械性能，Janus氣凝膠可用作季節適應性輻射熱調節的智能屋頂。當CNF層暴露于外部環境時，外層高反射率和內層低紅外發射率的結合使得夏季能夠有效地進行被動輻射冷卻。為了應對寒冷的冬季，MXene-CNF層可被用作外層，有效將陽光轉化為可觀的熱能。產生的熱量可以通過CNF層高紅外發射率進一步傳遞到內部環境，從而產生顯著的被動輻射加熱。Janus結構氣凝膠簡單的制造方法和合理設計為開發可擴展的氣候適應性熱調節材料提供了一條替代途徑。

相關成果

Small

Engineering Structural Janus MXene-nanofibrils Aerogels for Season-Adaptive Radiative Thermal Regulation

DOI: 10.1002/smll.202302509

項目支持

國家自然科學基金項目 52073295

中國科學院青年創新促進會 2023133

寧波市科技局項目 2021Z127

國家自然科學基金委中德交流項目 M-0424

寧波市公益性科技計劃項目 2021S150

中科院王寬誠國際交叉團隊 GJTD-2019-13