Chemical Engineering Journal：在高吸光的锥形气凝胶中实现优异的热转移，用以同时被动制冷和太阳能高效蒸发
研究背景
由于经济发展和气候变暖，全球对制冷的需求急剧增加。目前主要的制冷技术是压缩制冷，广泛应用于空调、冰箱等，这种主动技术在世界上消耗了大量能源。同时，压缩制冷设施在运行过程中会产生额外热量，导致城市热岛效应和温室效应。因此，能够提供冷却能力而不消耗化石能源或电能的被动制冷技术被认为一种有效的替代方案。近年来，辐射制冷、蒸发制冷等被动制冷技术引起了科学家们的高度重视。然而，这些被动冷却系统的设计都是尽量减少对太阳能的吸收，而没有考虑对太阳能的利用。
成果简介
有鉴于对上述背景的研究，济南大学前沿交叉科学研究院能源转化科研团队创新地设计了一种锥形结构的气凝胶材料。该气凝胶材料在吸收99.3%的太阳光辐射时，还能保持低于周围空气温度的低温。基于该锥形气凝胶材料异于寻常的低温现象，团队创造性地提出了一种可以收集太阳能高效产生蒸汽并同时给建筑物制冷的系统。在1个太阳光强度（1000W m-2）的光辐射条件下，该系统的最大比制冷功率可达到271.56 W m-2，平均蒸发速率可以达到2.23 kg m-2 h-1。在烈日炎炎的夏天，该系统可以实现冷却室的温度比环境空气的温度低13.7°C的良好制冷效果。这种同时产生太阳能蒸汽和被动制冷的系统在热浓缩和环境制冷中具有巨大的应用潜力。该成果以题为“Achieving excellent thermal transfer in highly light absorbing conical aerogel for simultaneous passive cooling and solar steam generation”发表于Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132089)，学研究济南大学前沿交叉科院薛国斌教授、刘宏教授为文章通讯作者，博士后唐杰斌老师为第一作者。
图文导读
如图1所示，作者以丙烯酰胺为反应单体、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，在引发剂APS和促引发剂TMEDA的协同作用下，利用冰模板法制备了白色的锥形结构的PAM气凝胶。在氢键和范德华力的共同作用下，在PAM表面涂覆了一层改性碳纳米管作为吸光层。
图1 锥形气凝胶的光学图片与SEM图像
如图2所示，由于锥形气凝胶定向排列的孔道结构，其具有超快的吸水速率和传输能力，水可以在5s内从底部向上运送至顶部。同时，锥形气凝胶具有极好的光吸收能力，在250-2500nm波长范围内的光吸收率可以达到99.3%。
图2锥形气凝胶的红外结构与吸水、吸光性能表征
如图3所示，在蒸发状态下的锥形CNT-PAMm气凝胶具有异于寻常的温度分布。作者发现，即使在1个太阳光强度（1000 W m-2）的光辐射条件下，CNT-PAMm气凝胶的温度也低于周围空气温度，并呈现出倒锥形的温度分布。
图3锥形CNT-PAMm气凝胶的温度分布
如图4所示，为了探寻蒸发状态下的锥形气凝胶异于寻常的温度分布的原因，作者对比了不同高度、不同制备方法、不同结构的PAM气凝胶在1个太阳光强度下的温度分布。分析了锥形CNT-PAMm气凝胶不同高度处水的状态，发现水在锥形CNT-PAMm气凝胶中主要以毛细水状态存在，这种状态有助于降低水的蒸发潜热，提高水的蒸发速率。水的快速蒸发导致气凝胶的温度低于环境空气的温度，呈现出倒锥形的温度分布。
图4锥形CNT-PAM气凝胶的低温机理分析。
如图5所示，作者利用导热棒将锥形气凝胶与需要制冷的建筑物结合起来，利用蒸发状态下锥形气凝胶的低温给建筑物进行制冷，设计出一组同时进行被动制冷和太阳能蒸发的装置。在模拟的1个太阳光强度下，该装置的最大比制冷功率可达到271.56 W m-2，平均蒸发速率可以达到2.23 kg m-2 h-1。
图5 同时被动制冷和太阳能蒸发的装置的结构展示和性能测试
如图6所示，在户外条件下，作者设计的同时进行被动制冷和太阳能蒸发的装置呈现出良好的制冷效果，在平均光照强度为605 W m-2的夏日，该装置可以实现冷却室的温度比环境空气的温度低13.7°C的良好效果，表明该装置具有巨大的实际应用价值。
图6同时被动制冷和太阳能蒸发的装置的户外制冷性能测试
结论与展望
作者利用锥形气凝胶具有良好的光吸收和传热能力，实现了太阳能蒸汽的同时产生和被动制冷。通过冰模板法在气凝胶中构建了垂直通道，有助于水的超快传输。在锥形气凝胶中，水的状态沿输送方向从重力水调节到毛细水，使水的蒸发潜热大大降低。CNT-PAAm锥形气凝胶具有良好的光吸收性能（99.3%），在1个太阳光强度照射下，其平均蒸发速率可达2.23kgm-2h-1。由于锥形结构设计和水状态调节，气凝胶展现出明显的尖端增强效应，尖端温度明显低于环境空气温度。在模拟一个太阳光强度照射下，冷却室的温度可比环境温度低5.1℃，最大比冷却功率为271.56 W m-2。户外实验表明，在平均太阳辐射量为605 W m-2的夏天，冷却室的温度可比环境空气的温度低13.7°C。作者设计的这种同时进行太阳能热蒸发和被动制冷的系统可用于热浓缩、废水处理、环境冷却和湿度管理等，具有巨大的实际应用价值。
