个人热管理 (PTM) 材料最近受到了相当多的关注，以提高人体热舒适度并可能降低能耗。策略包括被动辐射冷却和变暖。然而，在严酷的冷热环境中对一种材料或结构的被动热调节仍然存在挑战。
最近，科研人员从硅酸钠衍生的二氧化硅气凝胶是通过溶剂沸腾策略制备的，其中疏水化、溶剂交换、钠纯化和常压干燥（HSSA）在一锅法中连续自发地进行。这种策略导致在不使用离子交换树脂或低表面张力溶剂的情况下合成具有极低能耗的超疏水二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶具有高比表面积 (635 m2/g)、高接触角 (153°) 和低热导率 (0.049 W/m K)。设计了包括二氧化硅气凝胶层和额外相变材料层的逐层（LBL）结构。该结构在严酷的寒冷（-30°C）和炎热（70°C）环境中均表现出双功能热调节性能，达到平衡的时间被推迟，LBL结构的内部温度可以保持在20℃以上°C 在严酷的寒冷环境 (-30 °C) 和低于 31 °C 的严酷酷热环境 (70 °C) 中。一个模拟太阳光照射的概念验证实验装置也证明了由 LBL 结构保护的模型车的内部温度低于 28°C，而外部温度为 70°C。此外，理论 COMSOL 仿真结果很好地支持了这些结果。这项工作的发现不仅提供了一种合成二氧化硅气凝胶的环保方法，而且还表明 LBL 结构是一种强大的双功能 PTM 系统，可在严酷的冷热环境中进行热调节。
图 1. (a) HSSA 策略示意图；(b) 不同方法之间试剂消耗的比较。(c, d) 在极冷和极热环境中 LBL 结构 PTM 的卡通图像；（e）将 LBL 结构（气凝胶-PCM）描述为适用于恶劣环境的双功能 PTM。
图 3. (a) 用于恶劣条件环境的拟议 LBL 结构的示意图描述。(b) 在-30°C 温度下冷却板上的 I 型 LBL 结构的红外照片图像。(c) 冷却板上的 Type-I LBL 结构示意图。（ d ）面板c中显示的实验的温度 - 时间曲线。T0、T1、T2 和 T3 分别是冷却板和单个气凝胶层、I 型和 II 型 LBL 结构的上表面的温度。(e) 冷却板与隔热材料上表面的温差。
图 4. (a) I 型 LBL 结构在加热板上的示意图。(b) a中所示实验的温度-时间曲线：T0、T1、T2和T3是加热板和单个气凝胶层上表面的温度以及Type-I LBL结构和Type-II LBL 结构，分别。(c) 加热板与隔热材料上表面之间的温差。(d) 一个太阳照射下的模型车示意图。(e) d所示实验的温度-时间曲线：T0、T1、T2、T3、T4分别为车体表面温度、未加保温材料的车内温度、车内温度 分别具有气凝胶层和 Type-I LBL 结构和 Type-II LBL 结构的汽车。(f) 汽车外表面与其内部温度之间的温差。
图 5. (a) I 型 LBL 结构在模拟过程中作为隔热材料的图示。(b) 用于模拟的 LBL 结构。(c) 隔热性能的模拟结果。蓝线表示 70 °C 以下的温度随时间变化，绿线表示 -30 °C 以下的温度随时间变化。实线代表Type-I LBL结构，虚线代表Type-II LBL结构。(d) 模拟的温度等值线图像在所示时间产生 70 °C 的恶劣热环境。(e) 模拟的温度等高线图像在指示的时间产生 -30 °C 的严酷寒冷环境。
相关论文以题为Superhydrophobic Silica Aerogels and Their Layer-by-Layer Structure for Thermal Management in Harsh Cold and Hot Environments发表在《ACS Nano》上。通讯作者是中科大王锦副研究员。
参考文献：
doi.org/10.1021/acsnano.1c07184
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