零能耗、零排放的非对称纤维素基空气调节织物
【研究背景】
目前，与湿度/热度相关的室内空气在人类生产和生活的各个方面起着至关重要的作用，从家庭舒适度到电气设备的正常运行和食品储存，开发先进的室内湿度/热度管理技术是可取的。传统的空调系统涉及大量的能源消耗，这不仅加剧了当前的能源资源危机，而且加速了温室气体的排放。根据美国能源署的调查，全球每年有近20%的能源消耗来自空调系统。因此，开发零能耗、零排放的室内温湿度管理技术将是一个科学、有效和必要的解决方案。
【文章简介】
近日，Kang En-Tang教授团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“A Zero-Energy, Zero-Emission Air Conditioning Fabric”的研究论文。该工作受到树木蒸腾作用的启发，构建了一种具有非对称双层结构的纤维素基织物（ABMTF），由纤维素吸湿-蒸发层（ADF）和醋酸纤维素（CA）辐射层组成。它采用了简单的、可扩展的两步浸渍和喷涂方法进行制备，用于室内环境热量和湿度调节。在没有任何能源输入的情况下，利用同一织物集成了太阳能驱动的湿气泵、蒸发功率产生和被动辐射冷却的功能，不仅能有效控制室内湿度和高温环境，还能利用提取的湿气自发产生持续的电力输出。
在高湿度状态下，室内湿气被设计成由高吸湿性Zn-complex纳米片负载的吸湿区所捕获，同时被单向输送到高光热转换蒸发区，在室外太阳光照射下进行释放。这种分段式设计不仅保证了水分的连续和高效传输，而且可以很容易地用于解决因使用传统吸湿盐而带来的蒸发结垢和泄漏问题，以实现超高效的可持续除湿。在1个太阳光的照射下，织物能迅速将室内相对湿度（RH）降低到舒适的水平（40-60% RH）。在这个过程中，通过在a-MWCNTs浸渍的蒸发区形成梯度水润湿状态，构建了一个智能的功率产生器。蒸发驱动的连续毛细管流产生的最大开路电压（Voc）为0.82 V，功率密度（P）高达1.13 μW cm-3。
在高温下，辐射层中的醋酸纤维素CA因其固有的分子键合振动赋予其宽带和高的中红外发射率，而精心设计的多孔结构则作为太阳辐射的有效散射中心。当CA层朝外时，它实现了≈12 ℃ 的亚环境冷却，在900 W m-2的辐射下，中午的平均冷却功率可达≈106 W m-2。因此，被保护的建筑物的热负荷被有效降低，并达到被动冷却的效果。这样一种真正的零能耗、多模态纺织品将在全球温湿度管理和节能方面具有巨大的实际潜力，并为实现2050年净零碳目标提供了一个可再生的零能耗平台。
图1. 多模式纤维素基温湿度管理织物的制备和工作机制。
图2. 纤维素基织物的光热除湿性能。
图3. 纤维素基织物的光学特性和被动辐射冷却性能。
该论文第一作者兼通讯作者为学院青年教师张凯，食品科学学院青年教师雷小娟为本文共同第一作者，通讯作者为徐立群教授。该研究得到生物功能表界面团队、国家自然科学青年基金（52203127）、重庆市自然科学基金面上项目（cstc2021jcyj-msxmX0297，2022NSCQ-MSX2132）和中央高校基本科研业务费（SWU120060，SWU120052）的支持。
【文章链接】
K. Zhang*, X. J. Lei, C. Q. Mo, J. Huang, M. Wang, E. T. Kang, L. Q. Xu*. A Zero-Energy, Zero-Emission Air Conditioning Fabric. Advanced Science, 2023, DOI: 10.1002/advs.202206925, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206925