一种坚固、疏水且具有抗菌性能的二氧化钛（TiO?）修饰竹纤维素纳米纤维气凝胶，其蜂窝状多孔结构可实现高效的辐射冷却效果

《Carbohydrate Polymers》：Robust, hydrophobic and antimicrobial TiO 2-decorated bamboo cellulose nanofiber aerogel with honeycomb porous structure for highly efficient radiative cooling

气凝胶通过竹纤维素纳米纤维、二氧化钛和聚二甲基硅氧烷复合实现高抗压强度（83 kPa）、太阳能反射率（84%）和红外发射率（95%），并具备疏水（接触角131°）和抗菌性能，有效降低日间环境温度10°C。

　　

Xinmeng Luo|Yingying Lu|Jinlong Yu|Zhiyong Qin|Liuting Mo

广西大学资源环境与材料学院，南宁，530004，中国

摘要

在日益严重的全球气候变化背景下，被动辐射冷却是一种潜在的可持续热管理策略。然而，不可再生的辐射冷却材料往往存在环境耐久性不足和机械性能较差的问题，这限制了它们的实际应用。因此，迫切需要开发具有优异环境适应性和稳定机械性能的可再生热管理材料用于辐射冷却。本研究使用从竹子中提取的纤维素纳米纤维（CNF）、二氧化钛纳米颗粒（TiO₂）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为原料，通过物理交联方法制备出具有蜂窝状多孔结构的气凝胶。这种结构增强了气凝胶的强度（压缩强度为83 kPa）和平均太阳反射率（84%）。此外，加入TiO₂使气凝胶在整个大气窗口范围内具有高发射率（95%），并具有强大的抗菌效果，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制效果分别达到98.64%和99.33%。另外，PDMS的引入赋予了材料显著的疏水性（接触角为131°），提高了材料的环境适应性。最终，所得到的复合气凝胶表现出优异的辐射冷却性能，在白天条件下实现了10°C的显著温度降低。这项工作展示了所开发气凝胶在可持续热管理应用中的实际潜力。

引言

全球能源短缺和全球变暖的加剧对现代社会的可持续发展构成了严峻挑战。根据国际能源署（IEA）的最新报告，建筑行业占全球最终能源消耗的35%以上，其中空间冷却和加热占据了这一能源使用的很大比例，并且这一比例还在持续增长。这一趋势因快速的城市化和气候变暖而进一步加剧（Motherway, 2025）。同时，建筑冷却也是温室气体（GHG）排放的重要来源。这些排放加剧了城市热岛效应，形成了一个不断增加冷却需求的恶性循环。在这种背景下，开发零能耗和零碳排放的替代冷却技术已成为全球的紧迫任务（Fan & Li, 2022; Yang et al., 2025）。被动辐射冷却是一种基于物理原理的冷却方法，它通过将热量通过8–13 μm的大气透明带辐射到外太空，同时反射0.3–4 μm波长范围内的入射太阳辐射来实现自我维持的冷却（Li et al., 2019; Song et al., 2025; Zhang et al., 2025）。这项技术为解决上述能源和环境挑战提供了有希望的途径。

尽管辐射冷却具有巨大潜力，但许多当前的被动冷却方法存在显著局限性，例如它们依赖于长期稳定性差、不可回收或含有有害化合物的聚合物材料（Li et al., 2024; Shen & Liu, 2024; Wang, Wang, et al., 2023; Yang, Yan, et al., 2023; Zeng et al., n.d.）以及能源密集型制造过程（复杂的真空工艺）（Kou et al., 2017; Lei et al., 2026; Lin et al., 2025）。例如，实现高光谱选择性通常需要使用通过真空沉积技术制造的无机介电材料，这大大增加了制造复杂性和生产成本，从而阻碍了它们的大规模应用（Zhu, Chen, et al., 2025）。气凝胶由聚合物（Yang et al., 2022; Zhang, Cheng, et al., 2019）、陶瓷（Xu et al., 2019）和碳纳米材料（Wang et al., 2020）制成，它们具有固有的高孔隙率，是传统石油基辐射冷却材料的可行替代品。然而，传统制造的气凝胶，包括碳基（Luo et al., 2020）、聚合物基（Ma et al., 2023; Wei et al., 2021）和二维材料基气凝胶（Cai et al., 2021; Zhang, Yi, et al., 2019），通常具有较低的太阳反射率，导致辐射冷却效果不佳。纤维素表现出高红外发射率（Gamage et al., 2021; Jaramillo-Fernandez et al., 2022），而含有纤维素纤维/晶体的气凝胶表现出有效的太阳反射率，显示出其在辐射冷却应用中的巨大潜力。迄今为止，研究主要集中在构建基于纤维素的多孔气凝胶结构（Cai, Chen, Wei, Ding, Chen, et al., 2023; Yang, Xiao, et al., 2023; Zhu, Ren, et al., 2025），这些结构中的空气孔隙与纤维素之间的界面会产生强烈的多次光散射，从而增强太阳反射并实现高效的日间被动冷却。随后对表面形态和孔结构的优化提高了太阳反射率和红外发射率。然而，在实现高度多孔结构以获得更好的散射效果与保持强机械性能之间存在根本性的权衡。增强气凝胶中的多次散射可能会损害其结构强度和长期环境稳定性（Cai, Chen, et al., 2024）。因此，在复杂环境中同时满足室外稳定性和适应性热管理的双重需求是未来发展的关键挑战和迫切需求。我们假设，通过优化CNF提取过程和定向引入无机纳米颗粒（如SiO₂或TiO₂），可以显著提高基于纤维素的气凝胶的机械强度和辐射冷却性能。

为了解决上述挑战，本研究设计并制备了一种基于竹子的智能热管理复合气凝胶，其核心机制是辐射冷却。竹子是一种低成本的可再生资源，含有高比例的纤维素（Hossain et al., 2024; Lin et al., 2022）。纤维素是一种由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖单元组成的线性多糖，由于其高度结晶的刚性分子链和强氢键网络，具有低热膨胀系数、高维度稳定性和固有的红外发射率（Liao et al., 2024; Shakeel et al., 2025; Zhao et al., 2019）。然而，竹子中的木质素主要吸收280 nm至760 nm波长范围内的太阳光谱中的光线，这限制了材料的整体太阳反射率，从而影响了其日间辐射冷却性能（Yu, Hu, et al., 2025）。因此，首先对天然竹子进行了化学处理，以选择性地去除大部分木质素，从而减少太阳吸收并提高其光谱调节能力。为了进一步优化性能，开发了一种蜂窝状多孔结构的气凝胶。这种结构不仅增强了阳光散射和机械性能，还提供了低热导率。同时，加入TiO₂有效提高了太阳反射率，并增强了红外区域的振动发射，同时还赋予了优异的抗菌性能，从而提高了材料的环境适应性。此外，PDMS被引入到材料的外层。由于其高透明度和抗老化性能，PDMS赋予了材料疏水性，同时保持了辐射冷却能力，延长了材料的使用寿命，形成了一个功能全面的PDMS/TiO₂@CNF复合结构。图1展示了PDMS/TiO₂@CNF气凝胶的制备示意图。

材料

竹子来自浙江省杭州市。化学试剂，包括亚氯酸钠（80%，AR级）、丁氧基钛（98%，AR级）、盐酸（AR级）和磷酸盐缓冲盐水（PBS，AR级），从上海的Macklin Reagents Co, Ltd.购买。从n Industrial Corporation（上海，中国）采购了己烷（98%，AR级）和乙醇（≥99.7%，AR级）。聚合物组分，特别是PDMS预聚物及其交联剂（Sylgard 184 A和B），由

材料表征

根据先前的研究，从竹子中提取了CNF（分子量Mw = 81.2 kDa，PD = 2.91）（Lu, Luo, et al., 2025）。由于使用酸性亚氯酸钠处理部分去除了竹子粉末中的木质素，分离出的CNF呈现出类似凝胶的白色外观（图2a）。扫描电子显微镜（SEM）表征显示未经处理的竹子粉末具有粗糙的质地（图2b）。相反，CNF纤维的表面非常光滑（图2c）。如图2d所示，天然竹子

结论

通过精确控制结构和化学相互作用，成功开发了一种具有辐射冷却和环境功能的PDMS/TiO₂@CNF气凝胶材料。TiO₂纳米颗粒的添加提高了纤维素骨架的太阳反射率和红外发射率，同时赋予了强大的抗菌性能。因此，材料的整体环境适应性得到了提升。所构建的蜂窝状多孔结构

CRediT作者贡献声明

Xinmeng Luo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，研究设计，概念化。Yingying Lu：撰写 – 审稿与编辑。Jinlong Yu：撰写 – 审稿与编辑，概念化。Zhiyong Qin：撰写 – 审稿与编辑。Liuting Mo：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。

未引用参考文献

Bi et al., 2025

Cai et al., 2023

Cai et al., 2022

Chen et al., 2024

Dong et al., 2022

Feng, Wu, Pei and Zhou, 2024

Jiao et al., 2016

Lee et al., 2026

Li et al., 2018

Lu et al., 2025

Qin, Wang, Jia, Shen and Zou, 2025

Shan et al., 2022

Sun, Zhou, Zhou and Yang, 2023

Yao et al., 2021

Yu et al., 2025

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了青苗人才包容性支持政策研究基金（编号：ZX02080030424003）、广西自然科学基金（编号：2025GXNSFBA069311）和广西高等教育机构早期/中期职业教师基础研究能力提升计划（编号：2025KY0032）的支持。