伴随全球工业化进程的加速推进以及人口的指数级增长，建筑基础设施、交通运输系统、电子设备及人体热舒适性调控等多个领域对冷却需求显著增加。因此，开发兼具环保性和零能耗特性的被动冷却技术显得尤为重要。近年来，研究者已成功制备多种日间冷却材料，并在节能建筑、个人热管理和发电等领域展现出广阔应用前景。然而，日间辐射冷却理论功率上限（约150 W·m⁻²）常导致温度梯度不足，限制了其在某些高温差需求场景（如发电）中的实际应用。
近期研究表明，将蒸发冷却与日间辐射冷却策略相结合，能够有效克服单一冷却机制存在的局限，并突破传统冷却效率的理论极限。其中，一种代表性的设计为双层结构，由辐射冷却表层和吸湿蒸发底层构成。该结构通过上层表面的辐射冷却降低整体温度，同时底层水凝胶材料可从空气中吸附水分，并通过表层蒸发实现持续降温，从而形成更稳定的温差。除了该双层构型外，将辐射冷却与蒸发功能整合于同一体系中的吸湿性水凝胶材料，同样展现出优异的日间冷却性能。尽管已有诸多进展，现有双功能冷却材料仍存在两大关键挑战：（1）辐射冷却层与蒸发层之间的热/蒸汽界面阻碍了热与蒸汽的有效传输，进而限制冷却效率与电能输出；（2）吸湿性水凝胶在经历多个吸附–解吸循环后，易出现结构收缩与性能衰退，显著影响其在实际户外环境中的长期稳定性。因此，亟需开发一种具备高热质协同传输性能与结构稳定性的自驱动、多功能冷却材料，以满足户外多场景应用需求。
针对上述挑战，南京林业大学蔡晨阳副教授团队提出一种新型集成结构设计策略，基于细胞壁工程与凝胶共组装技术，将天然木材转化为一种结构可设计、可持续、并具备吸湿–冷却协同功能的集成式木材气凝胶（HCW）。与以往报道的双层辐射冷却–集水材料不同，该集成结构在热/蒸汽传输路径上实现了无界面阻碍设计，充分利用木材凹坑结构提供的快速蒸汽通道，同时兼具高效阳光散射与红外发射能力。三维木材骨架结构有效抑制了吸湿盐在户外使用过程中的泄漏及水凝胶的体积收缩，显著提升了材料的环境适应性。此外，该结构实现了辐射冷却与水汽吸附功能的整合，进而实现了白天的持续发电功能。基于上述热质协同设计理念，HCW在90%相对湿度下展现出高达2.4 g·g⁻¹的快速吸附容量，优于多数文献报道结果。在20%–70%的相对湿度范围内，该材料可实现最高达10 °C的辐射冷却效果。在户外连续七天的测试中，该装置实现了稳定的电能输出，且无明显结构收缩。单个HCW单元（1 cm²）在25 °C、70%相对湿度条件下可产生约0.87 V的输出电压和约88 μA的电流，对应最大输出功率密度约为56 μW·cm⁻²。该工作为设计高性能、自驱动集成冷却材料提供了新思路，具有应用于分布式发电、建筑节能和个人热管理等领域的潜力。相关成果以“Self-driven wood hydro-aerogel with optimized thermal-mass kinetics for all-day hybrid-coolingdriven electricity generation”为题，发表在Matter上。
重要图文
图1 | 集成式结构吸湿冷却木材的设计理念与工作机制。
图2 | HCW的制备与表征。
图3 | HCW的吸湿性能。
图4 | HCW的日间混合被动冷却性能。
图5 | HCW的辐射冷却辅助水收集-电能联合发电系统。
图6 | HCW的机制和结构-功能关系。
研究结论
利用辐射冷却技术从环境水蒸气中直接捕获电能，为缓解能源危机提供了一种极具前景的解决方案。然而，现有集成器件，如双层结构设备、热管理涂层及冷却水凝胶等，普遍受限于较差的热质传递动力学与较低的电能输出，难以满足户外实际应用的需求。为此，本研究提出一种集成结构设计策略，通过细胞壁工程（木材脱木素处理）与凝胶共组装过程（将吸湿性PVA/CaCl₂凝胶部分填充于木材骨架中），将天然木材转化为一种可持续、结构可定制且功能集成的吸湿冷却木材（HCW）。该材料在辐射冷却木材基体中构建了部分饱和的互穿吸湿网络，可有效调控水分的吸收与蒸发过程，同时促进定向红外辐射传输，从而实现发电性能与外界湿度变化在直射阳光下的有效解耦。
与已报道的双层辐射冷却-集水材料或冷却水凝胶不同，HCW的集成结构具备以下显著优势：（1）消除热/蒸汽传递过程中的界面阻碍，利用木材内部的凹坑结构构建快速蒸汽传输通道，并协同实现高效红外辐射传递；（2）依托木材的三维骨架结构，有效抑制吸湿盐泄漏及水凝胶在户外环境中的体积收缩，显著提升结构稳定性；（3）将辐射冷却与水汽吸附功能集成于一体，实现日间持续发电。HCW表现出优异的被动冷却性能，其太阳反射率高达97%，热发射率达92%，在90%相对湿度下水蒸气吸附量可达2.4 g·g⁻¹，并具备0.5 kg·m⁻²·h⁻¹的快速蒸发速率。基于上述特性，该器件仅利用可再生木材资源以及环境中的水分和阳光即可输出可用的电能（单个1 cm²单元产生约0.87 V电压，功率密度约56 μW·cm⁻²）。此外，在连续7天的户外运行测试中，HCW未出现结构收缩，展现出良好的运行稳定性，显示出其在离网、零排放供电场景下驱动小型电子设备的潜力。
面向实际应用，后续研究需重点关注以下几个关键方向：（1）进一步优化HCW的微观结构，提升电能输出与功率密度；（2）开展不同地理区域及季节条件下的系统性户外测试，评估其在实际环境中的适应性；（3）探索新型制造工艺以实现HCW的可扩展制备，为其商业化应用奠定基础。本研究为开发下一代环境友好型能量收集材料与器件提供了重要的理论依据与技术支撑。
本文链接（或点击下方“阅读原文”）：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102608
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