Part 1 文章简介
传统生物质气凝胶因微结构不可控、交联体系单一，辐射制冷性能不足。本研究以明胶、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、2 - 膦酸丁烷 - 1,2,4 - 三羧酸（PBTCA）为原料，创新泡沫 - 片层双模板策略，结合发泡与定向冷冻，构建多级孔道 GHP 气凝胶。HPMC 兼具表面活性与交联作用，稳定泡沫并调控冰晶生长，形成微米泡沫与纳米片层协同结构。材料实现可见光反射率 96.0%、红外发射率 99.0%、导热系数 59 mW・m⁻¹・K⁻¹、极限氧指数 31.5%，户外日间降温达 8.8℃。同时具备自修复、热水快速回收与生物降解性，实现全生命周期环保。该气凝胶集高效辐射制冷、隔热、阻燃、可持续于一体，为低碳建筑被动制冷提供全新方案。
Part 2 创新点
1. 双模板新结构：首创 “泡沫 - 片层” 多级结构，协同微米泡沫与纳米层状通道，突破单一模板性能瓶颈。
2. 多功能一体化：同步实现超高反射（96%）、超高红外发射（99%）、超隔热、V-0 级阻燃、自修复、可回收。
3. 绿色可持续：全生物质组分，热水快速解聚回收，土壤 30 天完全降解，闭环生命周期。
4. 动态交联网络：离子键 + 氢键 + 共价键三重交联，赋予自修复与结构稳定性。
5. 实用化性能：日间降温 8.8℃，全国建筑年均制冷能耗降低 37.8%，适配高湿环境。
Part 3 制备流程
1. 前驱液制备：明胶、HPMC 搅拌溶解，加入 PBTCA 作为交联剂，形成混合溶液。
2. 发泡与稳定：2000 rpm 高速搅拌引入气泡，HPMC 作为表面活性剂稳定泡沫，体积膨胀至 2.3 倍。
3. 定向冷冻：−196℃液氮定向冷冻，使气泡与层状冰晶共固定，形成双模板结构。
4. 冷冻干燥与固化：冷冻干燥去除冰晶，热处理固化交联，得到 GHP 多级结构气凝胶。
5. 疏水改性（可选）：MTMS 气相沉积，提升耐水性与自清洁性。
6. 性能测试：结构（SEM、XRD、XPS）、光学、力学、导热、辐射制冷、阻燃、修复、回收、降解测试。
Part 4 主要图表 图 1 制备流程与性能总览 概要：本图展示 GHP 气凝胶 “泡沫 - 片层” 双模板制备路径与多功能优势。a 流程：明胶 / HPMC/PBTCA 混合→高速发泡→定向冷冻→冷冻干燥→固化成型，最终可降解 / 回收。b 发泡后体积增至 2.3 倍，泡沫均匀。c 气泡平均直径 37.0 μm，分布集中。d 气凝胶核心优势：高反射（96%）、高发射（99%）、超隔热、阻燃、自修复、可回收、可降解。HPMC 双重作用：降低表面张力稳定泡沫，交联增强网络；定向冷冻约束冰晶生长，形成泡沫 - 片层互穿结构。该设计首次将发泡与定向冷冻耦合，突破传统气凝胶光学与力学失衡问题，为辐射制冷提供结构基础。 图 2 分子相互作用与化学结构 概要：本图阐明气凝胶的多键合交联机制。a–c 明胶、HPMC、PBTCA 静电势分布，证实存在强静电相互作用。d FTIR 显示羟基、酰胺键峰位移与 C=O 峰变化，证明氢键与酯化交联。e–f XPS 全谱与 C1s 谱，检出 C、O、N、P 元素，C=O、C-O、C-C 峰证明共价键形成。结果表明：明胶 - NH₃⁺与 PBTCA-COO⁻/PO₃²⁻形成离子键；分子间形成大量氢键；羟基 / 氨基与羧基发生酯化反应，构建离子键 + 氢键 + 共价键三重网络。该网络赋予气凝胶高稳定性、力学强度与自修复能力，是结构与功能协同的核心。 图 3 微观形貌、力学与隔热性能 概要：本图揭示结构 - 力学 - 隔热关系。a–b SEM 显示横向截面为泡沫 - 片层互穿孔道，孔隙率 > 91%。c 结构模型：微米泡沫 + 纳米片层协同。d–e 压缩曲线：定向样品强度 0.19 MPa，模量 14.53 MPa，可承受 5000 倍自重。f 各向异性导热：横向 59.70 mW・m⁻¹・K⁻¹，纵向 73.71 mW・m⁻¹・K⁻¹。g–h 120℃热台测试，60 min 后表面升温 < 10℃，隔热优异。机理：多级孔抑制气体对流，交联骨架降低固相导热，层状结构增强界面散射。力学与隔热双提升，满足建筑结构安全与节能需求。 图 4 辐射制冷性能与机制 概要：本图系统验证制冷性能。a 反射光谱：泡沫 - 片层结构使可见光反射达 96.0%。b 红外发射率：8–13 μm 大气窗口达 99.0%，远超多数材料。c ATR-FTIR 显示 C-O-C、P=O、P-O 等强振动基团，高效辐射散热。d–f FDTD 模拟：10 μm 处泡沫 - 片层结构电场吸收最强，辐射效率最高。g–i 理论计算：净制冷功率达 85.6 W・m⁻²，理想条件降温超 25℃。j–k 广州户外测试：日间降温 8.8℃，夜间 1.5℃。l–m 全国模拟：年均制冷能耗降低 37.8%，湿热地区节能 > 30%。证实多级结构实现高反射 + 高发射协同，被动制冷效果突出。 图 5 阻燃性能与机制 概要：本图阐明高效阻燃机理。a 烧蚀测试：移开火源立即自熄，UL-94 V-0 级。b TG-DTG：初始分解温度 167℃，800℃残炭 52.3%，热稳定性优异。c–f 锥形量热：HRR 峰值 187.83 kW・m⁻²，TSR 仅 86.75 m²・m⁻²，低烟低毒。g–h 燃烧后炭层保持多级孔结构，形成隔热屏障。i–j XPS：燃烧后 P 含量升至 6.4%，形成富磷炭层。k–l TG-IR：分解释放 H₂O、CO₂、NH₃等不燃气体。m 阻燃机制：低温增强交联；高温 PBTCA 催化成炭，隔绝热氧；不燃气体稀释可燃物。凝聚相 + 气相协同，实现高效阻燃。 图 6 自修复、回收与降解性能 概要：本图展示全生命周期可持续性。a 自修复：断面滴水后 60 s 完全愈合，可承受 1 kg 载荷。b–c SEM 与 CT 显示修复后结构完整，孔道恢复。d 热水回收：>70℃热水快速解聚，重新发泡 - 冷冻 - 干燥，闭环循环。e 电导变化证实热致相分离驱动解聚。f 生物降解：土壤掩埋 30 天完全降解为 CO₂、H₂O。g 性能对比：在修复性、回收性、反射率、发射率、阻燃性全面领先同类材料。动态可逆键合实现快速自修复；明胶与 HPMC 热响应差异实现快速回收；全生物质组分实现完全降解，真正绿色低碳。 Part 5 全文总结 本研究开发泡沫 - 片层多级结构纤维素基气凝胶，通过发泡 - 定向冷冻双模板策略与三重动态交联，实现辐射制冷、隔热、阻燃、自修复、可回收、可降解一体化。材料可见光反射率 96.0%、红外发射率 99.0%，导热系数低至 59 mW・m⁻¹・K⁻¹，户外日间降温 8.8℃，全国建筑年均制冷能耗降低 37.8%。极限氧指数 31.5%，UL-94 V-0 级阻燃，高温形成富磷致密炭层。材料具备室温快速自修复、热水快速闭环回收、土壤 30 天完全降解能力，全生命周期环保。该工作突破传统气凝胶结构不可控、功能单一难题，为新一代可持续、低碳、高效被动制冷材料提供创新策略与工业化基础。 原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528466. 引用：F. Chen, H. Bi, C. Wang, Z. Wu, Y. Ye, Z. Su, Y. Ning, Y. He, G. Chen, Sustainable Cellulose‐Based Aerogels with a Hierarchical “Foam‐Flake” Structure for Ultrahigh Emissivity Radiative Cooling, Adv. Funct. Mater. 36(42) (2026) e28466. 
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