在全球能源危机与“双碳”战略背景下，辐射冷却和光热转化效应作为可持续、无污染的技术受到广泛关注。近年来，研究人员提出开发具有季节自适应能力的Janus结构热管理装置，通过冷却/加热双模式动态切换实现全年温度调控，有效解决了传统静态冷却模式与季节动态变化之间的矛盾。如何同时实现高效日间冷却和昼夜温度平衡调控仍然是辐射冷却领域重大挑战之一。

  近期，北京化工大学汪晓东教授、刘欢副教授团队报道了一种具有双层结构的Janus气凝胶/相变材料复合体系，通过相变材料耦合实现了高效的辐射冷却和太阳能加热。该研究将辐射冷却、光热转化、相变储能三种效应集为一体，制备了具有全天候季节自适应温度调控作用的Janus结构复合材料，并通过各向异性结构进一步优化不同功能层的热传导特性，在提升相变材料温度响应速率的同时，有效抑制热传导/热对流对亚环境温度的干扰。

  该研究成果以“Weather-Adaptive Janus Aerogel Integrated with Phase Change Materials Enables Dual-Mode Thermal Regulation via Radiative Cooling and Solar Heating”为题发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。论文的共同第一作者为北京化工大学材料学院硕士生刘旺旺、董雨濛，通讯作者为汪晓东教授和刘欢副教授。该课题得到了北京市自然科学基金的资助。

  该研究通过定向冷冻及冷冻干燥制备了具有各向异性结构的壳聚糖（CS）/聚甲基硅氧烷（PMS）气凝胶。该气凝胶在垂直于孔道的径向表现出0.038 W·m^–1·K^–1的低热导率，同时兼具太阳辐射波段91.49%的高反射率以及大气窗口波段94.09%的高发射率。通过真空浸渍工艺将十八烷（C₁₈）相变材料填充在各向异性CS/六方氮化硼（h-BN）气凝胶的孔隙中，得到具有定向导热通路的CS/h-BN@C₁₈相变复合材料。h-BN沿气凝胶骨架定向排列，致使CS/h-BN@C₁₈相变复合材料在平行于孔道的轴向表现出1.102 W·m^–1·K^–1的高热导率。此外，CS/h-BN@C₁₈相变复合材料具有170 J·g^–1以上的高潜热焓值以及优异的热循环稳定性。通过环氧树脂（EP）/可膨胀石墨（EG）涂层封装CS/h-BN@C₁₈相变复合材料得到CS/h-BN@C₁₈@EP/EG复合材料。结果表明，EP/EG涂层进一步降低了相变复合材料的泄漏率，同时赋予其在太阳辐射波段95.98%的高吸收率，能够高效地进行光热转化作用。

图1 双层结构Janus气凝胶/PCM复合材料的设计和工作原理

  图1展示了双层结构Janus气凝胶/相变材料（PCM）复合材料的设计和工作原理。a）复合结构示意图，突出了与PCM集成的辐射冷却层（顶部）和太阳能加热层（底部）的关键特征。b）展示不同环境条件下双模功能的操作机制：辐射制冷（白天/夏季）和太阳能供暖（白天/冬季）。c） 热能调节过程，显示PCM介导的能量储存（吸热）和释放（散热）以实现温度稳定。辐射冷却层由聚甲基硅氧烷（PMS）改性的壳聚糖（CS）气凝胶组成，具有低导热性（0.038 W m^?1 K^?1）、疏水性、阻燃性、高太阳反射率（91.49%）和高红外发射率（94.09%）。太阳能加热层是通过用正十八烷（C18）PCM浸渍CS/六方氮化硼（h-BN）复合气凝胶并用环氧树脂（EP）/膨胀石墨（EG）复合材料涂覆而制备的。该层具有高导热性（1.102 W m?1 K^?1）、大潜热容量（174.2 J g^?1）、可逆相变、强太阳能吸收（95.98%）和优异的防泄漏性能。

图2 CS/PMS气凝胶的轴向/径向结构表征和实物图

  图2展示了CS/PMS复合气凝胶的微观形貌与实物图，可以看到复合气凝胶表现出各向异性孔隙率，沿其轴向和径向横截面具有明显的结构特征。扫描电子显微镜（SEM）显示，纯CS气凝胶在轴向和径向方向上都显示出多层垂直堆叠的结构。加入PMS后，轴向平面形成了不均匀的孔隙分，而径向取向保持了其分层结构，但随着PMS含量的增加，层间间距减小。这种结构演变归因于CS基质和PMS微球之间的氢键相互作用，PMS微球是通过甲基三甲氧基硅烷（MTMS）水解形成的。这些相互作用增强了CS骨架内的交联，从而压缩了层间间隙。同时，PMS微球的尺寸与太阳波长（≈0.3-2.5μm）相当，通过米氏散射增强了阳光反射率。此外，PMS含量的增加减少了冷冻干燥过程中的残留水，促进了CS骨架的紧密堆积，并产生了更致密的内部微观结构。

图3 双层结构Janus气凝胶/PCM复合材料系统的性能分析

  图3通过理论计算和建筑能耗模拟，评估了 Janus 气凝胶/PCM 复合材料的节能潜力。如图3（a、b）所示，未复合C₁₈相变材料的复合材料在日间和夜间的净冷却功率分别为59.3 W·m^–2、111.1 W·m^–2，夜间的净冷却功率明显高于日间的净冷却功率，该现象归因于复合材料在日间所吸收的太阳辐射会削弱相应的冷却性能。然而，夜间过高的净冷却功率可能会导致过冷现象的产生，不利于维持人体舒适的亚环境温度。相比之下，图3（c、d）显示复合材料在日间和夜间的净冷却功率分别为81.6 W·m^–2、88.9 W·m^–2，表明相变材料能够有效通过熔融相变吸热来增强复合材料的日间辐射冷却性能，而在夜间则通过结晶相变放热以削弱复合材料的夜间辐射冷却性能。

  此外，该研究通过EnergyPlus验证了Janus结构复合材料在不同气候区的普适性节能效果，为建筑节能材料的应用提供了重要理论支撑。由于全国不同地区存在气候差异，因此不同城市的制冷和供暖月份有所不同。不同地区的建筑制冷能耗存在较大差异，并且将Janus结构复合材料作为建筑维护结构时，其建筑节能量随着建筑能耗的增加而增加。结果表明，全国15个地区建筑制冷平均节能比为23.38%、制冷平均节能量为6.05 MJ·m^–2；其中，处于热带季风气候的三亚全年的建筑制冷能耗最高可达95.62 MJ·m^–2，对应11.74 MJ·m^–2的最大节能量，表明该材料在制冷模式下具有良好的制冷性能。此外，全国15个地区建筑供暖平均节能比为15.33%、供暖平均节能量为8.03 MJ·m^–2。由此表明Janus结构复合材料在供暖模式下的节能效应同样显著。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202513665