Nano letters:“辐射制冷”的建筑纤维木头

【引言】

建筑能耗占中国总能耗的35%以上。空调是建筑能耗的主要组成部分，对能源和环境产生了巨大影响。根据彭博社新能源财经的一项研究，2018年世界住宅和商用空调耗电量达到1932 TW/h，其中中国的空调耗电量占34%，居世界第一。与大多数通过能源和资源消耗带走热量的传统方法相比， 辐射冷却是一种被动冷却方式，它以辐射的形式将热量释放到空间中。因此，启动建筑物的辐射冷却工作有利于减缓社会终端的能耗和温室气体排放，从而实现能源的可持续发展。

高效的辐射冷却系统已经在有机和无机材料上进行了研究，因为它们具有很好的红外发射率。然而，需要复杂的光子结构设计来实现白天的辐射冷却。近年来，自上而下的方法将散装天然木材转化为冷却结构材料，该方法利用了纤维素的太阳辐射反向散射和中红外发射特性。它可以直接用作建筑物的屋顶和墙板，从而将温度降低高达约10℃并降低能耗。然而，目前整块的原木价格是相对昂贵的，其潜在的能源节约可能无法抵消价格成本。除了成本，作为一种建筑材料，易燃性和耐久性仍然是这种结构木材的大挑战。

类似于天然木材，生物质纤维也因其等级结构而表现出优异的机械性能组合。与有限的森林资源相比，生物质资源是最受欢迎的廉价可再生能源；中国每年将产生10亿吨以上的农林废弃物。如果这些农林废弃物得到充分利用，不仅有利于保护森林资源，缓解木材短缺，而且对维护农业生态平衡，减轻环境压力，缓解资源短缺具有重要意义。这些残渣是生物质纤维的丰富来源，并且具有丰富的表面羟基，生物质纤维是制备具有优异性能的杂化结构材料的良好基质和支架。

【研究进展】

近日，华中科技大学李会巧教授和浙江农林大学孙庆丰教授（共同通讯作者）在Nano Letters上发表了一篇题目为“Cellulose-Based Hybrid Structural Material for Radiative Cooling”的文章。通过自下而上地将脱木质素的生物质纤维素纤维和无机微球组装成3D网络体，然后进行热压工艺，获得了高性能且廉价的冷却结构材料；我们构建了一种冷却木质纤维素散料，其显示出比纯木质纤维散料强八倍以上的机械强度和比大多数结构材料更大的比强度。纤维素充当光子太阳能反射器和热发射器，使这种材料能够实现24小时连续冷却，白天和晚上的平均温差分别为6℃和8℃。

【图文简介】

图1

(a) 纤维素和二氧化硅都是低成本原料，前者可以从多种大体积生物质纤维中获得，后者来自矿物；

(a) 木质纤维素冷却体的制造工艺；

(c-h) 表面扫描电镜图像 (d)、(g)和(e)、(h)分别为冷却木质纤维素块和纯木质纤维块的截面扫描电镜图像。

图2

(a)弯曲应力曲线；

(b)拉伸应力曲线；

(c)冷却木质纤维素块和纯木质纤维块的夏比冲击韧性和划痕硬度；

(d) 与钢和合金相比，冷却木质纤维素块的比拉伸强度；

(e) 冷却木质纤维素块的分子级增韧机制。

图3

(a) 对照标准全球太阳光谱(美国材料试验标准G173)和大气窗口(LWIR)，显示出冷却木质纤维素块的光谱反射率；

(b) 冷却木质纤维素块各角度的平均发射率；

(c) 带有红外辐射和散射太阳辐射的木质纤维素冷却体示意图；

(d) 演示辐射冷却性能的热箱示意图；

(e) 在直接热测试下，对冷却木质纤维素块的环境温度(黑色)和表面温度(红色)进行为期两天的连续测量。(上图)连续测量2天的辐射冷却功率。(底部)连续两天冷却木质纤维素块的稳态表面温度。阴影代表夜晚的时间。

图4

(a, b) 冷却木质纤维素块(a)和纯木质纤维块(b)的酒精灯燃烧实验；冷却的木质纤维素块呈现为微弱的火焰，纯木质纤维块被火焰吞没。

(c, d) 在防霉试验之前和之后；

(e) 冷却木质纤维素块和纯木质纤维块当用作建筑材料时，冷却的木质纤维素块可以抵抗阳光、雨水和火；冷却木质纤维素块、纯木质纤维块、钢、碳纤维和铝合金之间比较的雷达图。

【小结】

总之，作者开发了一种机械坚固的被动辐射冷却木质纤维素块，可以通过自下而上的组装和层压技术来制造。丰富的多元生物质纤维可以直接脱木质素并精制成纤维素和提纯后的石英岩制成复合材料，形成稳定的纤维素/二氧化硅分散体，随后形成宏观体。由于纤维素纤维和二氧化硅的反射阳光和散发热效应，所获得的木质纤维素块通过反射阳光和向大气窗口辐射热量而表现出优异的冷却效果。此外，在所得的压实和无机化合物冷却木质纤维素块中同时获得了高弯曲强度和韧性，这是纯木纤维块的8.6倍和10倍。木质纤维素冷却体固有的轻质特性超过了大多数常规结构材料的比强度，包括广泛使用的钢和合金。此外，这种冷却木质纤维素块显示出比纯木材块更好的防火和防霉性能。这种高强度、多功能的木质纤维素冷却体为未来的节能和可持续建筑应用开辟了道路。

浙江农林大学博士生陈逸鹏和党宝康为共同一作

文献链接：Cellulose-Based Hybrid Structural Material for Radiative Cooling, 2020,nano letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c03738