食品界

华南理工大学孙大文院士课题组：用于高效被动式制冷的纳米复合水凝胶

近期，华南理工大学现代食品工程研究中心孙大文院士团队在国际期刊《Chemical Engineering Journal》(IF：16.744) 发表了题为“Nanocomposite Hydrogel for Daytime Passive Cooling Enabled by Combined Effects of Radiative and Evaporative Cooling”的研究性论文（DOI：10.1016/j.cej.2022.141231），首次提出了一种通过日间辐射/蒸发协同效应实现高效被动式制冷的水凝胶技术。华南理工大学孙大文院士为本文唯一通讯作者。

我国的制冷用电量已占到全社会用电量15％以上，高用电量意味着高二氧化碳排放量，引起全球变暖和热岛效应等环境问题。因此，开发一种新型的被动式制冷技术变得尤为重要。

在该研究中，研究人员通过自由基聚合反应合成了聚丙烯酰胺水凝胶（图1）。聚乙烯醇（PVA）链上的羟基可以与聚丙烯酰胺（PAAm）的酰胺基形成氢键，得到近透明的具有双网络结构的PAAm/PVA。在交联过程中，ZrO2和PTFE 纳米颗粒（NPs）牢固地嵌入到水凝胶中，提高了水凝胶的太阳反射率和大气发射率，并可实现日间辐射制冷。天然深共晶溶剂（NADES）作为增塑剂和增湿剂提高了水凝胶的柔韧性和亲水性。最终合成的NPs/NADES@PAAm/PVA在吸水后可实现日间辐射和蒸发制冷。采用手持红外摄像机对不同处理的木片在阳光下照射30 min后进行红外成像（图2）。结果表明，裸木片的中心温度（Tcenter）最高，为41.9 ℃。溶胀型PAAm/PVA覆盖后的木片，通过蒸发制冷使其Tcenter降至33.0 ℃。无水型NPs/NADES@PAAm/PVA覆盖后的木片，通过日间辐射制冷使其Tcenter降低至28.1 ℃。值得注意的是，将日间辐射和蒸发效应相结合后，吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA的Tcenter进一步降低至27.3 ℃，以及溶胀型NPs/NADES@PAAm/PVA的Tcenter最低为24.3 ℃。另一项室外现场实验结果表明（图3），无水型，溶胀型和吸湿型NPs/NADES@PAAm/PVA可以在日间有效降低房屋、冰和冰冻食品的温度。本研究所构建的纳米复合水凝胶将促进食品、能源、材料等领域的相关研究与应用。