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甘巧强教授《Adv.Sci.》：白砂糖模板制作的多孔PDMS海绵，一种廉价可循环的高性能辐射制冷材料！

来源：花匠小妙招时间：2025-04-24 20:39

近年来，由于全球变暖带来的气候恶化引发了人们的广泛关注。各国都在大力支持节能减排技术的研发，以此来应对温室气体排放引发的各类问题。在我们的日常生活中，传统制冷技术所带来的能源损耗以及温室效应尤为显著。因此，研发更高效、环保的制冷技术迫在眉睫。

作为一种无耗能的制冷技术，辐射制冷能够很好地解决这一难题。该技术利用材料热辐射以及大气层辐射窗口（8-13微米）的特性，最大程度上地将热量以热辐射的形式释放到外太空中，以此实现对地面物体的冷却效果。这种冷却效应能够在夜晚轻松实现。但是在白天，由于强烈的太阳光所导致的加热效果，使得大多数自然材料难以实现有效的降温。近年来，研究者们通过材料设计，研发出各类光学-热学复合材料，可以在阳光直照的前提下实现表面降温。然而，目前报道的大多数材料需要复杂的制备工艺，在制备过程也会不可避免地产生对环境有危害的副产品，使得该技术的可持续发展受到了限制。

近日，由纽约州立大学布法罗分校甘巧强教授领导的团队报道了一种零污染、低成本的辐射制冷材料。该团队仅利用两种食品添加剂：聚二甲基硅氧烷（PDMS）和白砂糖，制备出了多孔的PDMS海绵。整个制备流程产生的副产品仅仅是可循环利用的糖水，实现了绿色无污染的生产。制备所得的PDMS海绵材料不仅表现出强烈的红外辐射特性，同时也实现了对阳光的强烈散射。得益于这种优异的光谱选择特性，该材料能够在白天实现4.6 °C的降温。与此同时，报道的PDMS海绵还兼具良好的隔热特性，有望被应用于未来建筑材料，实现降温并且保温的效果。

如图1所示，该团队通过堆叠白砂糖颗粒作为模板，利用PDMS预聚体液态的特性，让PDMS充分渗透入砂糖颗粒的缝隙中直至其充分固化。然后将糖颗粒在60 °C的热水中溶解，并将余留的PDMS置于热台干燥，得到白色的PDMS海绵。

图1. PDMS海绵的制备工艺流程。

该研究团队随后对制备的PDMS白色海绵（porous PDMS）进行了光学表征，并与未处理的PDMS（pristine PDMS）透明薄膜进行了比对。结果如图2所示， PDMS海绵在可见波段的吸收率仅为7%，而在红外波段的辐射率则高达96%。相较于未处理的透明PDMS，PDMS海绵所展现出的光谱选择性十分显著。扫描电镜（SEM）的结果表明PDMS在糖颗粒模板的帮助下，形成了不规则的多孔结构。结合PDMS本身在可见波段低吸收的特性，太阳光在入射PDMS海绵的过程中会被强烈散射，从而进一步降低材料对太阳光的吸收。

图2. PDMS海绵的光学吸收特性以及其微观形貌表征。

为了验证PDMS海绵的制冷特性，该研究团队进行了一系列的户外测试与理论分析。如图3所示，在晴朗的天空下，PDMS海绵的热成像照片显示其温度明显低于背景环境。户外测试的结果也表明，不同于透明PDMS材料，PDMS海绵能够维持室温以下的温度。其降温效果在最佳情况下能达到4.6 °C。其仿真以及计算结果也表明，PDMS海绵能在1000W/2的太阳光直射下实现43W/m2的制冷功率。

图3. PDMS海绵的户外降温测试结果以及理论分析。

图4. PDMS的热隔绝特性研究。

最后，该团队还进一步验证了PDMS海绵的保温特性。如图4的热成像照片所示，与商用的白色涂料以及黑色涂料相比，由PDMS海绵制成的模型小屋明显具有更低的室内温度。这是由于PDMS海绵一方面可以通过辐射制冷快速传递热量，并抑制阳光的加热效应。另一方面，PDMS海绵所展现出来热隔绝特性可以有效地防止炎热的外界温度扩散到室内，从而降低家用空调的制冷功耗。

该研究致力于研究低碳环保的辐射制冷材料。其最大特色在于，所有涉及到的制备工艺均使用食品级安全材料，对环境零污染，进一步强化了辐射制冷的可持续发展意义。同时，其对辐射制冷材料的热隔绝特性的探讨也为该领域的研究提供了新思路。该工作于2021年10月21日发表在《先进科学》（ Advanced Science），第一作者为纽约州立大学布法罗分校的博士生周律。该工作还得到了沙特国王科技大学（KAUST）Boon Ooi教授实验室的合作支持。

来源：高分子科学前沿

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