南京林业大学蔡晨阳 Matter:自驱动木材水合气凝胶解耦户外辐射制冷与持续发电

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日前，南京林业大学蔡晨阳团队在理解木材多尺度结构中水分与热量传输机理的基础上，对木材原有结构进行精准重组，并提出了一种具有自驱动特性的木材水合气凝胶材料，用于实现户外环境中持续的辐射协同吸湿制冷与发电功能。通过结构集成设计，将吸湿性聚合物杂合网络部分封装于木材基体内，构建了多尺度耦合结构，从而同时实现日间辐射制冷与吸湿发电。形成的融合界面有效强化了水分传输与辐射传热过程，进而实现了户外热管理与能量收集过程的有效解耦。该自驱动型木材可以实现宽湿度条件下的日间辐射制冷协同吸湿制冷功效，并且在户外能够稳定输出电力超过7天，且无结构收缩。单个单元（1 cm²）在25°C和70%相对湿度下可产生约0.87 V的电压和约88 μA的电流，最大输出功率密度约为56 μW cm⁻²。

2026年2月13日，相关工作以“Self-driven wood hydro-aerogel with optimized thermal-mass kinetics for all-day hybrid-cooling-driven electricity generation”为题发表在《Matter》上。

在理解多级界面结构传热传质和辐射制冷材料设计原则的基础上，提出了一种一体化自驱动的水合木材气凝胶。该自驱动水合木材凝胶上层为辐射制冷层（占比10%）：日间通过高太阳光反射率和高红外发射率实现降温，下层为封装在木材中的PVA/CaCl₂吸湿层（占比90%）：利用吸湿网络从空气中捕获水蒸气，利用蒸发潜热带走热量（图1A和1B）。理论计算表明，这种混合冷却机制产生的冷却功率远超单一辐射冷却或蒸发冷却效果，实现了“1+1>2”的协同增益。图1D的实验数据显示，相较于传统双层结构，自驱动水合木材气凝胶的一体化设计消除了层间传热传质屏障，水蒸发速率显著提升，验证了其优化的热质传递动力学。该设计通过一体化集成，有效解决了传统双层器件热质传递受限、吸湿盐易泄漏等瓶颈问题，为实现全天候稳定发电（单元输出0.87 V，功率密度56 μW·cm⁻²，户外连续运行7天无结构收缩）提供了关键支撑。

图1自驱动水合木材气凝胶（HCW）的设计理念和工作机制

关键的性能数据表明：得益于木材多级传热传质结构、独特的光学特性和双重制冷功效，自驱动木材水合气凝胶在不同湿度情况下（22%、43%、50%、60%、70%）可以实现低于环境温度6.3 ℃、6.7 ℃、7.2 ℃、15.1 ℃、16.1 ℃的日间降温效果。单个HCW单元（1 cm²）在25°C、70% RH条件下，可稳定输出~0.87 V电压和~88 μA电流，最大功率密度达56 μW·cm⁻²。此外，户外连续运行7天后，HCW仍保持结构完整、输出稳定，无盐泄漏或结构收缩，证实了木材三维骨架对吸湿凝胶的限域稳定作用。最后，通过多种理论和模拟分析强化了结构和性能的构效关系，探讨了自驱动水合木材气凝胶在微纳尺度的传热传质机理和分子尺度的设计机理。该设计破解了传统湿气发电器件热质传递受限、稳定性差的瓶颈，为开发可持续、全天候的自供能器件提供了新思路。

该成果得到了江苏省自然科学基金和南京林业大学科研启动基金的资助，感谢审稿人和编辑宝贵的建议。

文章链接：

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