四川大學趙海波教授、王玉忠院士，最新Science!
光致發光氫鍵生物質氣凝膠，可用於輻射冷卻！
在全球氣候變化不斷升級的情況下，被動輻射冷卻是一種潛在的可持續熱管理策略。然而，由於吸收陽光，石化衍生的冷卻材料經常面臨效率挑戰。
鑑於此，四川大學趙海波教授、王玉忠院士提出了一種本徵光致發光生物質氣凝膠，其可見光反射率超過100%，具有極高的冷卻效果。他們發現，DNA和明膠聚集成有序層狀氣凝膠，通過熒光和磷光，在可見光區域實現了104.0%的太陽加權反射率。在高太陽輻照度下，冷卻效果可降低環境溫度16.0°C。此外，通過水焊有效大規模生產的氣凝膠具有高可修復性、可回收性和生物降解性，完成了環保的生命週期。這種生物質光致發光材料是設計下一代可持續冷卻材料的另一種工具。相關研究成果以題爲“A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling”發表在最新一期《Science》上。
【製造與結構】
本文展示了一種自然光致發光的生物質氣凝膠，其在可見光區域的太陽光反射率超過100%，從而帶來了巨大的輻射冷卻效應（圖1）。該發現取決於明膠(GE)和DNA之間的協同相互作用產生的磷光和熒光特性，從而向外部環境產生高效的生熱輻射。氣凝膠的精細結構和多級分層結構進一步增強了太陽反射率，導致太陽加權反射率達到104.0%（0.4至0.8μm）。
圖 1. 本徵光致發光生物質氣凝膠板示意圖
製造過程涉及形成基礎氣凝膠磚的雙向冷凍乾燥過程。然後通過水焊將這些磚塊連接起來，形成具有長程有序結構的大型氣凝膠板。具體而言，GE-DNA氣凝膠磚由含有0.04 g/ml GE和0.01 g/ml DNA的水凝膠製成，被命名爲G4D1。這些磚可以沿分層方向進行水焊接，形成以長程有序結構爲特徵的膨脹氣凝膠板（圖2A）。該方法確保了氣凝膠的可擴展性並保持其固有的光致發光特性和結構完整性。GE和DNA之間強動態交聯離子氫鍵對於促進通過水焊接進行大規模製備至關重要。密度泛函理論(DFT)計算，包括靜電勢(ESP)和結合能(BE)（圖2B-D），證實了GE和DNA涉及DNA中的–PO 4 2–與GE中的–OH和–NH 2之間形成離子氫鍵。FTIR光譜顯示，添加DNA後，GE中N-H的伸縮振動峰紅移至3298cm −1（圖2E）。具有不同DNA含量的氣凝膠的FTIR光譜顯示P=O的伸縮振動峰從1234.2到1230.5cm −1紅移（圖2F）。水焊氣凝膠的3D體積渲染（根據大量切片圖像重建）突出顯示了焊接點處微米尺寸連接結構的存在（圖2G）。焊接氣凝膠板的SEM圖像強調了孔隙結構的高度一致性（圖2H-J）。
圖 2. GE-DNA氣凝膠的結構和形貌
【綜合可持續性：可修復性、可回收性和生物降解性】
GE-DNA氣凝膠展現出令人印象深刻的可持續性屬性，包括自愈性、可回收性和生物降解性。這些功能對於延長材料的生命週期和減少環境影響至關重要。（1）自我修復：通過動態離子氫鍵實現，以最少的水實現快速結構恢復。（2）可回收性：氣凝膠可以解聚和重構，保持其結構完整性和性能。（3）生物降解性：在土壤和堆肥中快速降解，轉化爲水和二氧化碳，經45天內生物降解率爲85.5%證實。圖3展示了自我修復、回收和生物降解過程，圖像顯示恢復的結構和降解階段。
圖 3. GE-DNA 氣凝膠的可修復性、可回收性和生物降解性
【光致發光誘導的超輻射冷卻】
氣凝膠的光致發光特性顯着提高了其冷卻效率。當暴露在紫外線下時，氣凝膠會發出熒光和磷光（GE-DNA氣凝膠的磷光和熒光發射分別主要源自DNA和GE），有效地將吸收的紫外線轉化爲可見光和紅外光，從而提高太陽反射率。圖4詳細介紹了冷卻機制、吸收、發射光譜和反射率，突出了氣凝膠在不同環境中的效率。（1）光致發光：天然特性，無添加劑，在紫外光照射下發出藍色熒光。（2）冷卻機制：將紫外光轉換爲可見光和紅外光，提高太陽反射率和冷卻效率。（3）性能：在可見光範圍內實現104.0%的太陽加權反射率，最多可降低環境溫度16.0°C。
爲了評估GE-DNA氣凝膠的節能功效，作者進行了建築能源模擬。模擬結果（圖4J）顯示，當使用GE-DNA氣凝膠作爲最外層建築材料時，整個城市的冷卻能耗大幅降低，平均節能68.7%。作者進一步探討了全年不同氣候區的製冷節能情況（圖4K）。節能圖強調了GE-DNA氣凝膠在熱帶和亞熱帶氣候中的更大潛力。這些實驗和理論模擬共同強調了生物質GE-DNA氣凝膠的強大冷卻性能。
圖 4. GE-DNA氣凝膠的冷卻機理和性能
【總結】
本文開發了一種光致發光誘導生物質輻射冷卻策略，用於開發可持續且節能的氣凝膠，其可見光反射率超過100%，專爲有效的日間輻射冷卻應用而設計。由DNA和GE製成的全生物質氣凝膠具有值得注意的磷光和熒光特性。這種有意的調製犧牲了紫外線反射率，針對可見光區域進行了優化，從而提高了整個太陽光譜的整體反射率。氣凝膠獨特的多層結構充當了多級陽光進入屏障，將陽光引導至高太陽反射率。微觀和宏觀效應的協同作用在可見光區域實現了104.0%的出色太陽加權反射率。戶外測試表明，GE-DNA生物質氣凝膠的冷卻效果比環境溫度低16.0°C。至關重要的是，通過水輔助製造促進的氣凝膠的可擴展生產可以大規模產生各向異性結構（氣凝膠板）。這種大規模各向異性結構確保了整體光學均勻性，爲廣泛應用奠定了堅實的基礎。此外，氣凝膠完全由生物質原料製成，具有很高的可修復性、可回收性和可生物降解性，在使用壽命期間不會對環境產生不利影響。這種可擴展的生物質冷卻材料有望在未來實現節能和可持續的應用，大幅減少碳排放和能源消耗。
【作者簡介】
趙海波，博士，教授。出生於 1987 年 2 月，2014 年畢業於四川大學化學學院，師從王玉忠院士，獲高分子化學與物理專業理學博士學位。2014 年 7 月 - 2017 年 7 月，就職於中國工程物理研究院激光聚變研究中心；2016 年晉升爲副研究員。2017 年 7 月，以特聘副研究員的方式，回到四川大學進行研究工作，2020 年破格晉升教授。2018 年入選中國科協青年託舉工程，2019 年入選四川大學雙百人才，2021 年獲得國家自然科學基金優青青年基金資助，現爲環保型高分子材料國家地方聯合實驗室副主任。
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來源：高分子科學前沿
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