《Next Materials》：Fabrication of thermally insulative and highly transparent cellulose aerogel for climate-adaptive energy efficient window
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本研究针对传统窗户U值高、太阳得热系数大导致的建筑能耗问题，开发了一种源自可再生生物质资源的高透明（～90%）、高隔热（导热系数0.027 W/m·K）纤维素气凝胶（TCA）薄膜。通过将TCA与光谱选择性薄膜（AF/RF）复合，构建了兼具隔热与光谱选择功能的智能窗（TISSW）。建筑能耗模拟表明，TISSW相较于单层玻璃窗可实现高达40%的节能效果，为不同气候区建筑节能提供了创新解决方案。
在全球能源消耗中，建筑部门占据了超过40%的份额，其中近30%的能量损失源于门窗等透明围护结构。传统玻璃材料因其高导热性（0.9–1.1 W/m·K）、高太阳光透射率和高红外发射率（～0.89），导致窗户成为建筑围护结构中隔热性能最薄弱的环节。这不仅加剧了建筑供暖、通风和空调系统的能耗，也影响了室内的热舒适度。尽管中空玻璃、真空玻璃等技术的应用在一定程度上提升了窗户的隔热性能，但其复杂的制造工艺、较高的成本以及受气体对流影响的局限性，制约了其大规模推广应用。因此，开发一种兼具高透明度、优异隔热性能、可调控太阳得热，且成本低廉、易于制备的新型窗户材料，对于推动建筑节能、实现碳中和目标具有重要意义。
在这项发表于《Next Materials》的研究中，研究人员从可持续的生物质资源——纤维素出发，成功制备出一种高透明隔热纤维素气凝胶，并以此为核心，构建了适用于不同气候条件的气候自适应节能窗系统。
为开展本研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）介导的氧化反应对纤维素进行表面羧基化改性，制备出TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TCNF）前驱体。其次，采用高压均质化和超声处理技术，优化TCNF的尺寸分布和长径比，以降低气凝胶的雾度。接着，通过酸诱导凝胶化、溶剂交换和超临界二氧化碳干燥技术，构建具有纳米多孔结构的透明纤维素气凝胶（TCA）。最后，利用化学气相沉积法对TCA进行疏水改性（HM-TCA），并采用静电吸附方式将TCA薄膜与镀有吸热膜或反射膜的玻璃基板复合，组装成热绝缘光谱选择窗（TISSW）。
3.1. TEMPO氧化纤维素的表征
研究人员通过TEMPO氧化改性，在纤维素表面成功引入了羧酸官能团，并通过透析和冷冻干燥获得了易于再分散的TCNF。与商业TCNF相比，自制TCNF的羧基含量更高，产率超过50%。通过高压均质化处理，有效降低了TCNF的粒径（中心约20 nm）和悬浮液雾度，为后续制备高透明度、低雾度的TCA奠定了基础。
3.2. TCA薄膜的表征
通过凝胶化、溶剂交换和超临界干燥，TCNF成功转化为TCA。X射线显微镜和扫描电镜结果显示，经过均质化处理的TCA具有高度均匀的纳米级孔结构（孔径分布约40 nm）。通过氟硅烷化学气相沉积进行疏水改性后，TCA的接触角显著提高，同时保持了良好的热稳定性（初始分解温度>200°C）。力学测试表明，通过调节TCNF初始浓度可有效调控TCA的压缩强度，且其具有良好的循环压缩稳定性。TCA的导热系数与孔隙率密切相关，高孔隙率（纳米级孔隙）有效限制了空气对流和传导，使其导热系数低至0.027 W/m·K，表现出卓越的隔热性能。
3.3. TCA在窗户隔热中的应用
得益于其纳米级纤维和孔洞结构（尺寸远小于可见光波长），制备的TCA在可见光区透光率超过88%，全光谱太阳光透射率超过90%。高压均质化处理使TCA的光透射率提升了20%，雾度降低了40%。TCA薄膜可通过静电作用牢固附着于玻璃表面。热台实验和户外演示测试均表明，由单层玻璃与TCA薄膜组成的TCA窗，其隔热性能优于传统的双层中空玻璃窗，同时实现了玻璃窗户的轻量化（减重约50%）。然而，高透光、高隔热的TCA窗在无空调条件下会导致室内温度过高，凸显了对其进行光谱调控的必要性。
3.4. TISSW的热管理
为解决TCA窗太阳得热系数（SHGC）过高的问题，研究人员将TCA与吸热膜（AF）或反射膜（RF）复合，构建了热绝缘光谱选择窗（TAW和TRW）。光学测试表明，TAW和TRW能有效调控太阳光（特别是近红外光）的透射与反射。冷台实验和户外测试证明，TAW在寒冷条件下具有更好的保温效果，而TRW在炎热条件下能有效减少太阳得热，降低室内升温速率和内表面温度，有助于提升人体热舒适度。
3.5. TISSW的建筑节能性能
通过对新加坡（热带）、北京（寒冷夏季）、丹佛（冷暖均衡）、奥斯陆（寒冷）四个典型气候区的建筑能耗模拟发现，TISSW相较于单层玻璃窗、双层中空玻璃窗和Low-e玻璃窗，在全年来表现出更高的能效。在热带地区（新加坡），TRW通过反射太阳能显著降低制冷能耗；在寒冷地区（奥斯陆），TAW通过允许更多太阳光透入并转化为热量，有效降低采暖能耗。模拟结果显示，针对不同气候区优化选择的TISSW，相较于单层玻璃窗最高可实现40%的节能效果。雷达图综合分析表明，TISSW在可见光透射率、轻量化、厚度控制、近红外阻挡能力和建筑节能性能方面均具有综合优势。
本研究成功开发出一种源自生物质的高透明隔热纤维素气凝胶，并以此为核心构建了气候自适应智能窗系统。该研究不仅提供了一种性能优异的新型窗户材料，更重要的是通过集成隔热与光谱选择功能，实现了窗户对建筑能耗的主动调控。TISSW可根据不同气候区的需求进行定制化设计，展现出巨大的应用潜力和市场前景。这项工作深化了对透明气凝胶窗热行为的理解，为基于特定应用场景优化窗户热管理性能提供了重要指导，标志着建筑保温技术向环境友好、高效节能和人性化舒适方向迈出了关键一步。从生物质资源到功能材料，再到最终产品的技术路径，也为可持续材料在建筑领域的创新应用树立了典范。
