川大硕士生一作发Science！

在全球气候变化日益加剧的背景下，被动辐射冷却是一种潜在的可持续热管理策略。然而，由于太阳光的吸收，石化衍生的冷却材料常常面临效率方面的挑战。

2024年7月5日，四川大学赵海波团队在Science 在线发表题为“A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling”的研究论文，该研究提出了一种本征光致发光生物质气凝胶，其可见光反射率超过100%，产生了很大的冷却效果。

论文的第一作者为四川大学化学学院2022级硕士研究生马健文，赵海波教授为论文的通讯作者。王玉忠院士和环保型高分子材料国家地方联合工程实验室对该工作有帮助。该工作得到了国家自然科学基金（52122302）和四川省科技计划项目（2023NSFSC19）的支持。

该研究发现，DNA和明胶聚集成有序的层状气凝胶，通过荧光和磷光在可见光区达到104.0%的太阳加权反射率。在高太阳辐照度下，冷却效果可使环境温度降低16.0℃。此外，通过水焊高效批量生产的气凝胶具有很高的可修复性、可回收性和可生物降解性，完成了具有环保意识的生命周期。这种生物质光致发光材料是设计下一代可持续冷却材料的另一种工具。

面对日益严峻的环境挑战，可持续发展是一个重要的机遇，它允许谨慎的资源管理和减少能源消耗。从传统的石油基材料转向可再生生物质原料在资源保护领域具有至关重要的意义，因为它有可能减少与传统材料相关的环境足迹。生物质材料由于其生态友好性、丰富的可用性和定制工程的潜力而获得了大量关注，以提高可回收性。节约能源是可持续发展的重要支柱，特别是在能源短缺的情况下。发展可持续的生物质能节能材料、提高能源效率和实施明智的节能实践，成为应对能源挑战的指导原则。

维持舒适环境的能源消耗占总能源消耗的很大一部分，特别是在发达地区，它超过了累计消耗的40%。鉴于这些情况，实现节能冷却的紧迫性就更大了。相对于主动冷却方法，如空调，被动辐射冷却技术提出了一个潜在的可持续的替代方案。这种方法利用了将内部热量辐射到较冷的外部环境的能力，同时反射太阳辐射，所有这些都不需要外部能量输入，使冷却能够自我维持。虽然传统的冷却材料——包括多层光子结构、纳米复合材料薄膜、聚合物材料和混合光学超材料——已经证明了持续的冷却能力，但它们仍然在努力解决太阳能吸收的问题。

本征光致发光生物质气凝胶板示意图

在白天的辐射冷却领域，轻微的阳光吸收可导致室内温度升高，降低冷却效率。Xue等人通过加入无机荧光微粒，在提高太阳反射率和降低辐射冷却材料的太阳吸收量方面取得了进展。他们的工作证明了通过荧光将紫外线(UV)转化为可见光(VIS)来提高冷却效率的可行性。不幸的是，无机粒子的脆弱的非本征光致发光特性和较差的相容性严重限制了辐射冷却材料的太阳反射率、可设计性和可持续性。目前其他旨在提高阳光反射率的策略通常需要设计有序的多孔结构。所设计的材料，如气凝胶，在大规模生产方面遇到障碍，因为它们依赖于超临界或冷冻干燥技术。最近，一种被称为添加剂冷冻铸造的技术已经出现，用于大规模生产精心分层的气凝胶。然而，这些方法依赖于专门的设备，在实现直接的通用可扩展性和根据需要定制的形状方面面临着挑战。

该研究展示了一种天然的光致发光生物质气凝胶，在VIS区域实现了超过100%的太阳反射率，带来了巨大的辐射冷却效应。该研究的发现取决于明胶(GE)和DNA之间的协同相互作用产生的磷光和荧光特性，从而产生高效的产热辐射到外部环境中。气凝胶的精心结构和多层结构进一步提高了太阳反射率，使太阳加权反射率达到104.0%(0.4至0.8 μm)。这导致白天的降温效果，使环境温度降低16.0°C。此外，这种生物质气凝胶可以通过水焊法大规模高效生产，具有出色的可修复性、可回收性和生物降解性。该研究发现的生物质光致发光制冷为开发高性能辐射冷却材料提供了一种不同的方法，有可能导致更环保和可持续的进步。

来源：四川大学，版权属于原作者，仅用于学术分享