【Matter】南京林业大学【具备优化热质动力学的自驱动木质水凝胶用于全天混合冷却驱动的发电】

一、摘要（SUMMARY）

本研究针对辐射冷却水汽发电领域热质动力学差、输出功率低、户外应用受限的核心行业瓶颈，提出了一种一体化构型策略：通过细胞壁工程与凝胶共组装工艺，将天然木材转化为吸湿冷却木质水凝胶（HCW）。材料核心创新在于，在辐射冷却木材中构建了部分饱和互穿吸湿网络，可精准调控吸水 - 蒸发过程、促进定向红外辐射传输，实现了日间发电性能与外界湿度波动的有效解耦。基于热质动力学优化的水汽驱动混合被动冷却体系，1cm² 的 HCW 单元可连续产生~0.87V 开路电压，最大功率密度达56μW·cm⁻²，户外连续 7 天运行无结构收缩，性能稳定。该研究为先进、可持续、结构稳定的环境能量收集材料发展开辟了新路径。

二、引言（INTRODUCTION）

1. 研究背景与行业刚需

全球工业化加速与人口指数级增长，导致建筑、交通、电子设备、人体热舒适等多领域冷却需求激增；传统蒸汽压缩制冷系统不仅加剧了能源消耗，还带来了严重的环境负面影响，开发环保、零能耗的被动冷却技术成为行业刚需。

2. 现有技术进展与核心局限

1. 单一辐射冷却技术
   ：日间辐射冷却技术已得到广泛研究，核心是实现太阳光波段高反射率、大气透明窗口（8-13μm）高红外发射率，但其理论冷却功率存在～150W・m⁻² 的上限，无法满足发电等场景的应用需求，易出现温度梯度不稳定的问题。
2. 耦合双冷却技术
   ：将辐射冷却与蒸发冷却耦合，可突破单一冷却的效率极限，现有方案包括双层结构器件、集成式吸湿水凝胶，但始终存在两大无法解决的核心痛点：
• 界面传输壁垒：辐射冷却层与蒸发冷却层间的明显界面，会阻碍水汽与热量传输，导致热质动力学性能差，直接降低冷却效率与发电输出；
• 结构稳定性不足：吸湿水凝胶在多次吸脱附循环后易发生收缩变形，且吸湿盐易泄漏，导致材料性能快速衰减，无法满足长期户外应用需求。

3. 本研究的核心思路

借鉴木材木质部纹孔的天然高效输水结构，提出一体化构型策略，通过细胞壁工程与凝胶共组装工艺制备 HCW 材料，针对性解决上述行业痛点，实现三大核心突破：

1. 消除热 / 质传输的界面壁垒，提供木材纹孔内的快速水汽传输通道，同时保持优异的太阳光散射与红外发射性能；
2. 依托木材 3D 骨架结构，避免户外使用中吸湿盐泄漏与水凝胶收缩问题；
3. 集成辐射冷却与大气集水功能，实现日间持续稳定的冷却驱动发电。

三、结果（RESULTS）

本研究从设计机制、制备表征、吸湿性能、冷却性能、发电性能、构效关系六个维度，完成了 HCW 材料的全链条性能验证，核心结果如下：

1. 一体化 HCW 的设计理念与工作机制

• 提出无界面一体化分层构型：上层 10% 高度为无盐辐射冷却层，下层 90% 高度为 PVA/CaCl₂水凝胶填充的吸湿层，完全消除传统双层结构的热 / 质传输界面壁垒；
• 光学设计基础：脱木质素的纤维素骨架可强散射太阳光，木材的 C-C、C-O 等化学键在 8-13μm 大气窗口具备强分子振动特性，为高效红外辐射散热提供基础；
• 传输性能优势：木材定向通道实现快速水传输，25℃下水扩散系数达 2.1×10⁻⁹m²/s，水蒸发速率显著优于传统双层结构材料；
• 综合特性：HCW 密度仅 200mg/cm³，具备轻质、可规模化、机械性能优异的特点，同时集冷却能力、吸水性能、低成本、可持续性与长期稳定性于一体。

2. HCW 的制备与结构 / 光学表征

• 核心制备工艺：先通过 NaClO₂/H₂O₂体系脱除木材中的木质素与半纤维素，形成 10-50nm 的互连介孔通道，液体渗透率提升 100 倍；再通过真空浸渍工艺填充 PVA/CaCl₂水凝胶（90% 高度），最终 - 45℃冷冻干燥 36h 定型；
• 微观结构验证：脱木质素木材保留 1-3μm 的纹孔结构，FDTD 模拟证实 0.5-3μm 的孔隙可高效散射 300-780nm 可见光，是材料高太阳光反射率的核心来源；
• 光学性能结果：HCW 实现97.2% 的太阳光反射率与92% 的红外发射率；精准的凝胶浸渍深度保证了顶层无盐，避免吸湿导致的太阳光反射率衰减，在高湿度环境下仍能保持亚环境冷却能力。

3. HCW 的吸湿性能

• 吸水容量：90% 水凝胶填充比下，90% 相对湿度（RH）时饱和吸水量达2.4g·g⁻¹，50% RH 时吸水量达 0.94g・g⁻¹，性能优于多数已报道的吸湿材料；
• 吸湿动力学：户外初始吸附速率达 0.32g・g⁻¹・h⁻¹，6h 户外吸水量达 5.8kg・m⁻²；
• 循环稳定性：15 次吸脱附循环后，吸水量保留率达 96%，盐泄漏率仅 4.7%，防泄漏系数达 0.961；
• 传输机制：COMSOL 模拟证实，木材定向微通道的毛细作用实现快速水汽传输，细胞壁与纹孔界面发生超快水汽蒸发；双尺度毛细管结构、氢键与离子水合作用协同，构建了高效的吸湿 - 输水体系。

4. HCW 的日间混合被动冷却性能

• 理论性能：HCW 净辐射冷却功率达128W·m⁻²，理论温降达 12℃；
• 户外宽湿度适配性：22% RH 下实现 6.3℃亚环境温降，43% RH 下 6.7℃，50% RH 下 7.2℃，60% RH 下 15.1℃，70% RH 下日间直射阳光中最高温降达 16.1℃；
• 性能优势：相同湿度条件下，较传统双层材料温降提升 8℃，冷却效率远超已报道的辐射 - 蒸发双冷却材料；连续 7 天户外测试中，冷却效果稳定在～10.2℃，无结构收缩与性能衰减。

5. 辐射冷却辅助的集水 - 发电联产性能

• 集水长期稳定性：户外 10 天循环测试后，HCW 吸水量仍保持在 5kg・m⁻² 以上，无结构收缩，彻底解决了传统材料的变形问题；
• 发电核心性能：1cm² 单元在 25℃、70% RH 下，实现~0.87V 开路电压、~88μA 短路电流、56μW・cm⁻² 最大功率密度；25%-80% RH 范围内，输出性能随湿度升高稳步提升；
• 户外长期运行：25% RH、27℃户外环境下，连续 7 天稳定输出 0.69V 电压、6.2mA 电流；
• 可扩展性：20 个 HCW 单元串联可输出 12V 电压，可直接驱动 LED 灯等电子器件，具备模块化应用潜力。

6. 构效关系与作用机制

• 多尺度热质动力学优化：宏观上一体化结构消除界面阻力，定向通道构建定向输水路径；介观 / 微观上分级孔隙提升蒸发面积与水汽扩散效率；分子上化学势梯度驱动快速吸湿与离子迁移，实现热质传输性能的全面优化；
• 冷却协同机制：辐射冷却与蒸发冷却双向促进，HCW 的冷却功率显著高于单一蒸发冷却或单一辐射冷却体系；
• 发电核心机制：水汽吸附 / 冷凝过程中，气态与液态水的化学势差释放自由能，驱动 Ca²+、Cl⁻沿湿度梯度定向迁移，形成界面电荷分离与稳定的电化学势差，最终实现持续的电能输出。

四、结论（DISCUSSION）

1. 核心研究结论

1. 本研究提出的一体化构型策略，通过细胞壁工程与凝胶共组装工艺，成功制备了 HCW 材料，彻底解决了传统双功能冷却发电材料热质动力学差、结构易收缩失稳的核心行业痛点；
2. 材料构建的部分饱和互穿吸湿网络，实现了吸水 - 蒸发过程的精准调控，达成了辐射冷却与蒸发冷却的高效协同，同时让发电性能与外界湿度波动有效解耦；
3. HCW 具备优异的综合性能：97.2% 太阳光反射率、92% 红外发射率、90% RH 下 2.4g・g⁻¹ 吸水量、70% RH 下 16.1℃日间温降、56μW・cm⁻² 的发电功率密度，且户外连续 7 天运行无结构收缩，性能稳定；
4. 材料以天然木材为基底，具备可持续、低成本、可规模化制备的突出优势，为下一代环保型能量收集材料的发展奠定了坚实基础，为离网零排放小型电子器件供电提供了全新可行方案。

2. 应用前景

HCW 材料可作为离网、零排放的电源，为小型电子器件供电，尤其在高湿度环境中具备显著应用优势；同时可拓展应用于节能建筑、个人热管理、大气集水、智慧农业等多个被动冷却相关领域。

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102608