Nano letters:“輻射制冷”的建筑纖維木頭

【引言】

建筑能耗占中國總能耗的35%以上。空調是建筑能耗的主要組成部分，對能源和環境產生了巨大影響。根據彭博社新能源財經的一項研究，2018年世界住宅和商用空調耗電量達到1932 TW/h，其中中國的空調耗電量占34%，居世界第一。與大多數通過能源和資源消耗帶走熱量的傳統方法相比， 輻射冷卻是一種被動冷卻方式，它以輻射的形式將熱量釋放到空間中。因此，啟動建筑物的輻射冷卻工作有利于減緩社會終端的能耗和溫室氣體排放，從而實現能源的可持續發展。

高效的輻射冷卻系統已經在有機和無機材料上進行了研究，因為它們具有很好的紅外發射率。然而，需要復雜的光子結構設計來實現白天的輻射冷卻。近年來，自上而下的方法將散裝天然木材轉化為冷卻結構材料，該方法利用了纖維素的太陽輻射反向散射和中紅外發射特性。它可以直接用作建筑物的屋頂和墻板，從而將溫度降低高達約10℃并降低能耗。然而，目前整塊的原木價格是相對昂貴的，其潛在的能源節約可能無法抵消價格成本。除了成本，作為一種建筑材料，易燃性和耐久性仍然是這種結構木材的大挑戰。

類似于天然木材，生物質纖維也因其等級結構而表現出優異的機械性能組合。與有限的森林資源相比，生物質資源是最受歡迎的廉價可再生能源；中國每年將產生10億噸以上的農林廢棄物。如果這些農林廢棄物得到充分利用，不僅有利于保護森林資源，緩解木材短缺，而且對維護農業生態平衡，減輕環境壓力，緩解資源短缺具有重要意義。這些殘渣是生物質纖維的豐富來源，并且具有豐富的表面羥基，生物質纖維是制備具有優異性能的雜化結構材料的良好基質和支架。

【研究進展】

近日，華中科技大學李會巧教授和浙江農林大學孫慶豐教授（共同通訊作者）在Nano Letters上發表了一篇題目為“Cellulose-Based Hybrid Structural Material for Radiative Cooling”的文章。通過自下而上地將脫木質素的生物質纖維素纖維和無機微球組裝成3D網絡體，然后進行熱壓工藝，獲得了高性能且廉價的冷卻結構材料；我們構建了一種冷卻木質纖維素散料，其顯示出比純木質纖維散料強八倍以上的機械強度和比大多數結構材料更大的比強度。纖維素充當光子太陽能反射器和熱發射器，使這種材料能夠實現24小時連續冷卻，白天和晚上的平均溫差分別為6℃和8℃。

【圖文簡介】

圖1

(a) 纖維素和二氧化硅都是低成本原料，前者可以從多種大體積生物質纖維中獲得，后者來自礦物；

(a) 木質纖維素冷卻體的制造工藝；

(c-h) 表面掃描電鏡圖像 (d)、(g)和(e)、(h)分別為冷卻木質纖維素塊和純木質纖維塊的截面掃描電鏡圖像。

圖2

(a)彎曲應力曲線；

(b)拉伸應力曲線；

(c)冷卻木質纖維素塊和純木質纖維塊的夏比沖擊韌性和劃痕硬度；

(d) 與鋼和合金相比，冷卻木質纖維素塊的比拉伸強度；

(e) 冷卻木質纖維素塊的分子級增韌機制。

圖3

(a) 對照標準全球太陽光譜(美國材料試驗標準G173)和大氣窗口(LWIR)，顯示出冷卻木質纖維素塊的光譜反射率；

(b) 冷卻木質纖維素塊各角度的平均發射率；

(c) 帶有紅外輻射和散射太陽輻射的木質纖維素冷卻體示意圖；

(d) 演示輻射冷卻性能的熱箱示意圖；

(e) 在直接熱測試下，對冷卻木質纖維素塊的環境溫度(黑色)和表面溫度(紅色)進行為期兩天的連續測量。(上圖)連續測量2天的輻射冷卻功率。(底部)連續兩天冷卻木質纖維素塊的穩態表面溫度。陰影代表夜晚的時間。

圖4

(a, b) 冷卻木質纖維素塊(a)和純木質纖維塊(b)的酒精燈燃燒實驗；冷卻的木質纖維素塊呈現為微弱的火焰，純木質纖維塊被火焰吞沒。

(c, d) 在防霉試驗之前和之后；

(e) 冷卻木質纖維素塊和純木質纖維塊當用作建筑材料時，冷卻的木質纖維素塊可以抵抗陽光、雨水和火；冷卻木質纖維素塊、純木質纖維塊、鋼、碳纖維和鋁合金之間比較的雷達圖。

【小結】

總之，作者開發了一種機械堅固的被動輻射冷卻木質纖維素塊，可以通過自下而上的組裝和層壓技術來制造。豐富的多元生物質纖維可以直接脫木質素并精制成纖維素和提純后的石英巖制成復合材料，形成穩定的纖維素/二氧化硅分散體，隨后形成宏觀體。由于纖維素纖維和二氧化硅的反射陽光和散發熱效應，所獲得的木質纖維素塊通過反射陽光和向大氣窗口輻射熱量而表現出優異的冷卻效果。此外，在所得的壓實和無機化合物冷卻木質纖維素塊中同時獲得了高彎曲強度和韌性，這是純木纖維塊的8.6倍和10倍。木質纖維素冷卻體固有的輕質特性超過了大多數常規結構材料的比強度，包括廣泛使用的鋼和合金。此外，這種冷卻木質纖維素塊顯示出比純木材塊更好的防火和防霉性能。這種高強度、多功能的木質纖維素冷卻體為未來的節能和可持續建筑應用開辟了道路。

浙江農林大學博士生陳逸鵬和黨寶康為共同一作

文獻鏈接：Cellulose-Based Hybrid Structural Material for Radiative Cooling, 2020,nano letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c03738