🍃 珍珠项链状气凝胶：95.6%太阳反射+0.028 W/m·K超低热导，破解辐射冷却“光学-隔热”矛盾

被动辐射冷却零能耗，但实际冷却效果因非辐射传热（热传导/对流）大打折扣——95%反射率的材料在导热基底上实测降温仅为理论值的1/3。传统方案要么依赖复杂多层结构，要么外加隔热层引入界面热阻。天津工业大学庄旭品教授团队与天津科技大学程博闻院士合作，提出黄原酸化表面工程，在单一纤维素气凝胶中集成光谱选择性与热绝缘。成果发表于 Advanced Materials，优化材料实现95.6%太阳反射率、95.3%大气窗口发射率和0.028 W m⁻¹ K⁻¹热导率，在1000 W m⁻²辐照下获得3.7°C亚环境温降，相较聚苯乙烯泡沫净降温24.9°C，制冷循环延长47.3% 。

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标题：Hierarchical SiO₂@Cellulose Nanofiber Aerogels With Synergistic Optical–Thermal Regulation for High-Performance Passive Cooling
译题：分级结构SiO₂@纤维素纳米纤维气凝胶——协同光热调控实现高性能被动冷却
作者：Xuan Yin, Nini Feng, Chang Liu, Heyi Li, Jianxiong Li, Shuo Yang, Xupin Zhuang*, Bowen Cheng*
机构：天津工业大学（分离膜材料国家重点实验室）；天津科技大学（生物基纤维材料国家重点实验室）
期刊：Advanced Materials (IF≈27.4)
状态：Early View (2026) | DOI：10.1002/adma.74505

一句话总结

通过可逆黄原酸化在纤维素纳米纤维上锚定~300 nm SiO₂纳米球，形成“珍珠项链”状结构，结合定向冰模板构建层状多级孔网络，实现95.6%反射、95.3%红外发射和0.028 W m⁻¹ K⁻¹热导，攻克被动辐射冷却中“高光谱选择性”与“高效热绝缘”难以兼得的瓶颈。

📄 摘要

被动辐射冷却通过最小化太阳吸收并最大化大气窗口（8–13 µm）红外发射实现零能耗降温，但寄生热增益严重削弱净效率。本文报道可逆黄原酸化介导策略，制备分级SiO₂@纤维素纳米纤维气凝胶，协同实现宽谱反射、高红外发射和低热导。黄原酸化使~300 nm SiO₂纳米球沿纤维均匀锚定（“珍珠项链”形貌），定向冰模板构建层状多孔网络。优化气凝胶反射率95.6%，大气窗口发射率95.3%，热导率0.028 W m⁻¹ K⁻¹。在1000 W m⁻²辐照下，实现3.7°C亚环境温降，相较聚苯乙烯泡沫净降温24.9°C，制冷循环延长47.3%。本工作为光学选择性与热绝缘的单片集成提供了可扩展方案。

研究背景：光学-隔热悖论

建筑制冷能耗占全球建筑能耗近40%。被动辐射冷却通过大气窗口（8–13 µm）向外太空辐射散热，同时反射太阳光（0.3–2.5 µm）。现有光子晶体、多层膜等已实现95%–97%的反射率和发射率，但实际降温仅为理论值的1/3~1/2，根本原因是非辐射传热（热传导/对流）带来的寄生热增益。传统对策——光谱工程（多层干涉）或外加隔热层（PE膜/气凝胶盖）——分别受限于高成本和界面光学/热学损失。核心挑战：如何在单一材料中同时实现光谱选择性与热绝缘。

气凝胶天然兼具两者。纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶可再生、可降解、低密度（5–20 mg cm⁻³），且C–O–C伸缩振动（~8.7 µm）提供本征红外发射。但纯CNF气凝胶太阳反射不足。SiO₂纳米颗粒可增强Mie散射，但纤维素表面羟基缺乏锚定能力，导致颗粒团聚、脱落。本文利用黄原酸化引入阴离子基团（–OCSS⁻），解决界面结合问题。

核心创新：黄原酸化锚定与“珍珠项链”形貌

Scheme 1 | 合成与结构示意图。（a）制备流程：纤维素浆粕→碱化→CS₂黄原酸化（引入–OCSS⁻基团）→超声分散获得XCNF→TEOS水解与界面缩合（SiO₂原位生长）→定向冰模板（–30°C）→冷冻干燥→150°C热脱黄原酸化，最终获得SiO₂@CNF气凝胶。（b）功能集成示意：多级结构同时实现高太阳反射（SiO₂ Mie散射）、高大气窗口红外发射（C–O–C与Si–O–Si协同）和超低热导（层状大孔+介孔+珍珠项链界面热阻）。

如Scheme 1所示，团队借鉴成熟粘胶纤维工艺，将纤维素与CS₂反应生成黄原酸基团（–OCSS⁻Na⁺），作为多齿锚定点。制备流程包含三个关键步骤：（i）黄原酸化介导的纳米纤维个体化；（ii）原位SiO₂纳米球锚定（XCNF辅助界面硅醇盐缩合）；（iii）定向冰模板构建各向异性层状网络。

图1 | 黄原酸化纤维素纳米纤维表征。（a–c）XCNF-20/40/60悬浮液照片（透明度随CS₂用量增加）；（d–i）TEM及直径分布（从~120 nm降至~14 nm）；（j）UV-vis黄原酸酯吸收峰（303 nm）；（k）XPS S 2p信号；（l）XRD保留纤维素I型结构。

随CS₂用量从20%增至60%，纤维直径从~120 nm降至~14 nm，悬浮液更透明。UV-vis确认黄原酸酯，XPS检测S元素，XRD显示结晶度>68%。产率高达**91.3%**，远超TEMPO法（60–75%）和羧甲基化法（70–85%）。

黄原酸基团营造局部离子/水合界面，TEOS水解生成硅醇盐物种，经界面缩合优先在纤维表面成核生长。TEM显示~300 nm SiO₂纳米球沿纤维呈“珍珠项链”状有序排列（图2a），而未黄原化对照样品则为随机团聚。DFT计算表明，XCNF体系界面缩合能垒低于均相自缩合，有利于表面局域化Si–O–Si成键。定向冰模板（–30°C）构建层状多孔结构（层间距5–10 µm，图2e），最终气凝胶密度仅12.5 mg cm⁻³（可置于蒲公英上，图2f）。FTIR和XPS证实Si–O–C和Si–O–Si化学键合（图2g,h）。

图2 | 形貌与结构。（a）TEM“珍珠项链”状SiO₂；（b）稳定分散液；（c,d）DFT界面构型及能垒；（e）SEM层状孔；（f）超轻气凝胶；（g）FTIR；（h）XPS O 1s。

SiO₂还赋予阻燃性：LOI从18.8%升至28.2%，峰值热释放率下降53.1%，垂直燃烧自熄。

光学性能：95.6%反射 + 95.3%发射

图3 | 光学性能。（a）UV-vis-NIR反射光谱（AM 1.5G）；（b）多尺度散射机理；（c）MIR发射光谱（2.5–25 µm）及大气窗口发射率；（d）发射峰分峰解析。

SiO₂@CNFA-3在0.3–2.5 µm范围平均反射率**95.6%（纯CNF仅83.3%）。多尺度散射机制：①~300 nm SiO₂ Mie散射（与400–600 nm太阳峰匹配）；②SiO₂/纤维素/空气折射率差异引起的界面散射；③微米层状孔对近红外的漫散射（~4–5 nm介孔主要抑制热传导）。MIR发射率在大气窗口（8–13 µm）达95.3%**，接近黑体。分峰显示发射来自纤维素C–O–C（8.7 µm）、Si–O–Si（9.4 µm）和Si–O–C（12.8 µm）的协同覆盖，无发射缺口。

热绝缘：0.028 W m⁻¹ K⁻¹

图4 | 热绝缘性能。（a）热导率随温度变化；（b）100°C热台红外热像；（c,d）与羽绒对比；（e）动态升降温；（f）–95°C~100°C双向热循环。

Hot Disk测得25°C热导率仅0.028 W m⁻¹ K⁻¹，接近静止空气（0.026）。归因于层状大孔抑制气相传导、介孔限制分子自由程、极低固相体积分数（~1.2%）以及SiO₂“珍珠项链”额外热阻。红外热像显示100°C热台上表面温度显著低于对照；15 mm厚气凝胶隔热能力媲美18 mm羽绒。双向热循环（100°C↔–95°C）证明极端温度下结构稳定。

被动冷却：3.7°C亚环境温降与24.9°C净降温

图5 | 日间冷却性能。（a）装置示意图；（b）户外照片；（c）顶面温度；（d）相对铜板温降；（e）底面温度；（f）温差；（g）三种材料机理对比。

户外测试（西双版纳，2025.1.19）中，样品置于铜板上，覆盖50 µm PE膜。在>1000 W m⁻²辐照下，SiO₂@CNFA-3顶面温度40.6°C，低于致密膜（41.3°C）和纯CNF气凝胶（42.7°C），较裸铜板降温7.2°C（峰值）。底面温度仅35.8°C，远低于纯CNF（38.7°C）和致密膜（39.1°C），建立4.8°C垂直温差，总温降（相对铜板）达12.1°C。致密膜光学相当但热阻不足，纯CNF隔热尚可但反射偏低。

制冷验证：循环周期延长47.3%

图6 | 制冷应用。（a）大面积样品；（b,c）装置与户外配置；（d,e）顶面温度及降温；（f,g）底面温度与温差；（h）热循环；（i）循环周期对比。

放大样品（40×24×1.3 cm）置于商用冰箱顶部。在~1000 W m⁻²下，SiO₂@CNFA-3顶面温度仅30.6°C，较聚苯乙烯泡沫降温14.6°C；底面温度23.2°C，总温降24.9°C。同时环境平均25.82°C，材料表面22.12°C，亚环境温降3.70°C。动态循环（–4°C停机，4°C重启）中，覆盖SiO₂@CNFA-3的冰箱循环周期27.1 min，较未改性（18.4 min）延长47.3% ，直接降低压缩机启停频率，节能且延长寿命。

总结

创新点：（1）黄原酸化化学实现SiO₂在纤维素表面的稳定锚定与有序排列；（2）“珍珠项链”形貌+层状多孔网络集成光谱选择性与热绝缘；（3）三重协同（反射+发射+隔热）实现创纪录冷却性能；（4）原料可再生、工艺与粘胶纤维产业兼容，具备规模化潜力。

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