1.Tianyi Zhu, Zeyu Ren, Debao Wang, Sudan Zhao, Xue Liu, Wei Fan, Yue-E Miao, Chao Zhang*, Tianxi Liu. Reactive 3D printed silanized cellulose nanofiber aerogels for solar-thermal regulatory cooling.

Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 192, 108761.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.108761

图1. 3D打印气凝胶复合材料的设计制备及其光-热协同管理性能

温室效应导致全球变暖和极端天气事件频发，对人类福祉和生产力产生深远影响。日常必需活动如建筑物制冷、运输过程中的冷链维护以及电子设备温度调节，均高度依赖化石燃料消耗。这不仅加剧了环境退化，还进一步强化了温室效应。因此，环境可持续制冷技术的研发与应用具有重要意义。近年来，被动式日间辐射制冷（PDRC）作为一种零能耗、环境影响极小的制冷方法崭露头角。PDRC通常通过反射阳光并通过大气透明窗口在8–13 μm波长范围内向外辐射热量来实现表面冷却。封闭空间中辐射冷却的效能取决于太阳反射率、中红外发射率及其抵御寄生热增益的能力。材料的红外辐射特性主要由其分子振动的固有特性决定。相反，太阳反射率和寄生热增益主要受材料的组成和微观结构影响，特别是孔隙结构。聚合物气凝胶因其多孔特性而备受关注，在该领域展现出巨大潜力。其丰富的气固界面和纳米尺度结构有利于阳光的广泛散射和低热导率。此外，聚合物气凝胶的纳米尺度孔隙配置能有效抑制环境热量侵入，使其在太阳能热调节方面表现卓越，并能在封闭空间实现低于环境温度的被动冷却。然而，将聚合物气凝胶用于辐射冷却材料时，往往面临大尺寸制备和孔隙结构调控的挑战。因此，迫切需要开发先进加工方法，以实现聚合物气凝胶宏观和微观结构的精确设计。

针对上述问题，团队提出了一种反应性3D打印方法，用于制备聚甲基硅氧烷与交织纤维素纳米纤维气凝胶支架（sCNF-AS）。与传统直接墨水打印3D打印不同，本研究提出的反应性3D打印方法通过在打印墨水中引入可聚合组分。通过利用该组分在打印后持续进行的交联反应，我们显著提升了打印层之间的界面强度，从而制备出具有优异弹性和机械强度的气凝胶支架材料。所制备的气凝胶支架呈现纳米多孔结构和丰富的气固界面，有利于有效散射阳光并降低温度。

2.Tianyi Zhu, Debao Wang, Yisha Wang, Fankun Xu, Jian Huang, Meng Lian, Yufeng Wang, Wei Fan*, Yue-E Miao, Jixin Zhu, Dai Hai Nguyen, Chao Zhang*, Tianxi Liu*, Gelation-Constrained Freeze-Casting Fabrication of Ultra-Homogeneous Nanocomposite Aerogels with Superelasticity and Harsh Environment Tolerance.

Advanced Functional Materials, 2025,2503693.

https://doi.org/10.1002/adfm.202503693

图2. 约束冷冻铸造策略气凝胶复合材料的设计制备及其宏观-微观图片

人工智能（AI）技术的发展和大数据分析的广泛应用，最近显著扩展了可穿戴电子设备在智能服装、健康监测和人机交互等领域的应用范围。这些设备能够实时收集和分析生理数据，提供个性化反馈，从而显著提升用户体验和健康管理的有效性。 因此，可穿戴电子设备已成为研究和技术创新的重点。这些设备的核心是柔性导电材料，其轻量化、与皮肤相近的模量、卓越的柔韧性以及适应复杂表面的能力至关重要。这些特性在监测生理信号时尤为优势，确保了长时间佩戴时的准确性和舒适性，推动了柔性电子技术的快速发展。尤其在极端环境应用中，可穿戴电子设备的不可替代价值愈发凸显。因此，迫切需要开发适用于极端条件下可穿戴传感应用的高性能柔性导电材料。通过利用聚合物基体与导电纳米颗粒之间的协同作用，在纳米复合材料多孔系统中构建一个坚固、抗变形的导电网络，已成为开发高导电性、抗疲劳碳海绵导体的关键策略。值得注意的是，海绵状导体的低热导率具有独特优势，使其成为消防防护服的理想材料。作为绝缘层，它们可保护消防员免受高温伤害，同时实现生理信号的实时监测，从而提供双重保护。然而，这些材料的设计与制备仍面临挑战，尤其是在实现导电纳米颗粒的均匀分布以及优化变形过程中基体与纳米颗粒之间的应力传递方面。解决这些关键瓶颈对于推动高弹性、长期稳定且具有防火功能的碳海绵状导电材料的发展至关重要。

在此，团队通过凝胶约束冷冻铸造策略制备了硅烷化超均匀纳米复合气凝胶（sUNA）。传统冻铸法不可避免地在冻结过程中导致高表面能纳米颗粒的不可逆团聚，因为冰晶体积排斥和浓度富集阻碍了纳米颗粒在气凝胶骨架内实现均匀分散并组装成三维互联纳米颗粒网络。我们的凝胶约束冷冻铸造方法采用理性设计的超分子水凝胶作为前驱体，通过将纳米颗粒困在水凝胶密集的氢键网络中，有效防止纳米颗粒的二次聚集。所得的sUNA展现出优异的机械弹性，疲劳抵抗力显著提升，在10 000次压缩循环后仍能保持超过98%的原始高度。当集成到压阻式传感器中时，气凝胶展现出高灵敏度、宽检测范围和极佳的耐用性。凭借其优异的热绝缘性、防火性和防潮性，气凝胶传感器在极端环境（如200°C温度和>90%相对湿度）下仍能保持超稳定的可穿戴传感性能。

3.Jiahui Sun, Yiting Zhang, Yufeng Wang, Yidong Peng, Jiayan Long, Haoran Liu, Wei Fan, Yue‑E Miao, Norbert Willenbacher, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Cryopolymerization-Enabled Superelastic and Thermomechanically Robust Silica-Sheathing Nanofibrous Aerogels for Solar-Thermal Regulatory Cooling.

Advanced Functional Materials, 2025, DOI: 10.1002/adfm.20241219.

 https://doi.org/10.1002/adfm.202425527

图3. 核壳纳米纤维基元气凝胶复合材料的设计制备及其光-热协同管理性能

气候变化引发的全球气候异常，尤其是极端高温事件，已成为人类社会的重大威胁。温度升高不仅危及人类健康，还加剧了全球对空调的依赖，导致电能消耗增加，进一步加剧了气候变化。当务之急是大幅减少建筑、交通和食品供应链等关键领域的空调能耗，以有效应对气候变化，并在全球变暖挑战不断升级的情况下努力实现碳中和。针对建筑物的制冷需求，关键在于设计能够抵御炎热外部环境和强烈阳光的建筑围护结构，有效管理封闭室内空间的热条件。目前，建筑围护结构材料的隔热和节能效率通常在 30% 左右，阻燃等级通常为 B 级。这与被动式超低能耗建筑对围护结构材料既能承受极端高温又能保持阻燃性能的迫切要求相差甚远，因而存在重大的安全隐患。被动式辐射制冷材料的特点是对太阳光具有高反射率，可防止太阳吸热，同时利用大气透明窗口向寒冷的外部空间发射红外线热量。通过将辐射冷却功能集成到建筑围护结构中，可实现封闭室内空间的节能冷却和热调节，为传统的高能耗空调系统提供了一种可持续的替代方案。然而，现有的辐射冷却薄膜或涂层通常需要额外的复杂施工步骤才能集成到建筑围护结构中。因此，人们亟需开发出机械坚固耐用、可被动降温的建筑围护结构，以实现高效的室内热管理。然而开发兼具高机械坚固性、极端温度适应性和辐射冷却能力的气凝胶材料，以便在暴露于高热和阳光直射的封闭空间中实现高效热管理，是至关重要的，但也是极具挑战性的。

在这里，我们团队通过一种简单、可扩展的低温聚合策略制备了一种低温聚合二氧化硅鞘纳米纤维气凝胶（CSNA）。这种低温聚合方法包括将聚合物纳米纤维和硅酸盐（二氧化硅前体）夹在取向冰晶的封闭区域内，然后在低温条件下对硅酸盐进行原位缩聚聚合。通过利用一维（1D）聚合物纳米纤维作为聚合诱导硅酸盐成核和生长的异质位点，纳米二氧化硅团簇在交织纳米纤维网络的表面发生连续的低温聚合。这就产生了一种由纳米纤维单元组成的复杂蜂窝结构，纳米纤维单元以聚合物为核心，包裹在高孔隙率的二氧化硅护套中。由此产生的气凝胶具有出色的各向异性机械和热性能，具有可逆的机械弹性和垂直于冷冻方向的优异隔热性能。二氧化硅鞘纳米纤维结构赋予了气凝胶热机械弹性，即使在 800 ^oC 的高温空气中煅烧和暴露在火焰中也能确保优异的结构稳定性。芯-鞘纳米纤维结构及其排列整齐的多孔框架可对太阳光进行多重米氏散射，从而实现高太阳反射率。利用其卓越的机械弹性、低热导率和选择性光谱发射特性，这些气凝胶可在强烈阳光照射下为亚环境提供高效节能的热调节。值得注意的是，在强烈日照和高温条件下，这些气凝胶可实现 11.4°C 的室内亚环境制冷，与传统建筑制冷能耗相比，平均节能约 17.6%。

4.Yiting Zhang, Jiahui Sun, Yufeng Wang, Yunchen Wu, Chun Huang, Xu Zhang*, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Radiative Cooling Hierarchically Porous Fluoropolymer Film by Ambient Humidity-Induced Phase Separation.

Macromolecules, 2025, 58(8), 4309-4319.

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00395

图4. 湿度诱导相分离复合材料的设计制备及其光-热协同管理性能

开发低能耗或无能耗的环保型制冷技术对于替代传统制冷系统（如空调）并满足室内热管理、节能及环保需求至关重要。被动式日间辐射制冷（PDRC）是一项备受推崇的技术，其通过热辐射将热量传递至寒冷的太空，从而在直射阳光条件下实现自然降温。该技术因其节能特性而备受关注，因其无需消耗任何能源。有效的白天辐射冷却依赖于对散热器光学特性的精心设计。这包括增强太阳光谱带（0.3–2.5 μm）的反射率、最小化大气热辐射的二次吸收，以及在大气透明窗口内提高发射率。光子结构（如光子晶体和超表面）通过周期性设计精确匹配大气透明窗口波长（8–13 μm），实现了接近理论极限的发射率（>95%），同时反射>97%的太阳辐射。其超薄结构（1–50 μm）可集成于柔性设备中。然而，这些结构高度依赖复杂的制备技术（如光刻和电子束蒸发），导致成本高昂且面临可扩展性挑战。此外，其辐射性能对入射角度敏感，导致制冷效率不稳定。为解决此问题，研究人员探索了随机分布的颗粒结构，通过结合具有特定振动频率的聚合物（在大气窗口内）与具有声子极化子共振的光子材料，实现所需的波长选择性调谐。无序散射减少了角度依赖性，保持全向反射率波动<5%。颗粒-基体复合材料适用于动态应力场景（如建筑涂层）。然而，大多数此类材料具有宽带隙，导致在整个太阳光谱范围内平均折射率较低，需要使用贵金属层来提高太阳反射率。此外，制备过程中颗粒填充系统显著增加了材料生产成本，并给产品回收带来挑战。因此，开发环保且光谱选择性的被动式白天辐射冷却材料，并建立高效制备工艺，仍是一项艰巨任务。然而，传统相变方法在溶剂交换过程中易发生变形，而大气压干燥方法则导致显著收缩，从而影响机械柔韧性和冷却性能。因此，对孔径分布、孔隙率和机械性能的精确控制仍是实现大尺度多孔结构辐射冷却材料成功应用的关键挑战。

在此，我们团队报道了一种基于环境湿度诱导相分离（AHIPS）的廉价、简便且无需模板的工艺，用于制备具有高效白天辐射冷却性能的独特微纳共存且均匀分布的多孔聚合物薄膜。该方法可增强对溶剂与非溶剂交换速率的控制，显著降低薄膜变形和收缩的潜在风险，从而克服了现有工艺的局限性。

5.Yongxu Zhao, Yufeng Wang, Tianyi Zhu, Baiyu Ji, Fankun Xu, Jian Huang, Yue-E Miao, Chao Zhang*, Tianxi Liu. Thermal Rectification in Gradient Microfiber Textiles Enabling Noncontact and Contact Dual-Mode Radiative Cooling.

Small, 2025, 21, 2503420.

https://doi.org/10.1002/smll.202503420

图5. 过滤诱导捕获和热压工艺复合材料的设计制备及其宏观-微观图片

极端天气事件的频发及环境温度的升高，凸显了对无需额外能源消耗的创新制冷技术迫切需求。白天辐射制冷通过反射太阳辐射（0.3–2.5 µm）并利用大气透明窗口（8–13 µm）将物体热量（≈3 K）辐射至太空，从而实现自冷。辐射冷却具有显著优势，包括零能耗和环境可持续性，使其成为应对全球挑战的关键策略。多孔结构材料通常利用米氏散射理论实现对阳光的高反射率。通过调整这些结构的孔径和分布，可在整个太阳光谱范围内实现高效的阳光反射。此外，多孔结构材料常具备热绝缘特性，可有效隔绝外部环境对冷却材料的二次加热。通过成本效益高且可扩展的制备过程，可在不依赖金、银或光子晶体结构提升太阳反射率的情况下，将太阳反射与发射组件集成到多孔结构材料的单一结构中。尽管多孔结构材料可有效管理未加热物体的辐射冷却，但其固有的热绝缘特性限制了其满足自加热物体冷却需求的能力，从而为多孔结构材料在复杂冷却场景中的应用带来挑战。透射型纺织品通常较薄，导致太阳反射率低且太阳辐射吸收量增加。因此，人体和物体可能吸收大量太阳辐射，导致热量积聚。透射型纺织品不适合在强阳光照射的户外环境中进行辐射冷却。相反，发射型纺织品通过结合高太阳反射率与高中红外发射率，在户外环境中表现更优，有助于降低纺织品及周边物体的温度。然而，由于其固有的热绝缘特性，发射型纺织品难以有效冷却高热流密度自发热物体。因此，开发一种适用于多种冷却场景的通用辐射冷却纺织品至关重要。

为此团队提出了一种基于过滤诱导捕获和热压工艺的制备方法，用于制造具有热导性氮化硼纳米片（BNNS）浓度梯度的梯度微纤维纺织品（GMFT）。BNNS在厚度方向上的梯度分布，以及由此产生的复合纺织品中堆叠孔径的梯度变化，使全谱太阳辐射发生多次米氏散射，实现高达97.3%的太阳反射率。此外，BNNS在复合纺织品中的梯度分布赋予其独特的非对称热绝缘性能，正反向热整流因子分别达到31.8%。该纺织品的热整流特性可有效抑制高温环境下的非辐射热传递，同时通过已建立的热传导路径促进内部热量向外部环境散发。因此，这种具有独特光谱选择性和热整流特性的梯度结构纺织品，在非接触和接触场景下均展现出作为高效双模式辐射冷却纺织品的潜力。

6.Fankun Xu, Tianyi Zhu, Yufeng Wang, Baiyu Ji, Yongxu Zhao, Yue‑E Miao, Chao Zhang*. Highly Aligned Porous Nanocomposite Aerogels with Anisotropic Thermal Conductivity for Sub-Ambient and Above-Ambient Radiative Cooling.

Small, 2025, 21, 2503789.

https://doi.org/10.1002/smll.202503789

图6. 纳米复合气凝胶的设计制备及其宏观图片

随着全球平均气温因温室效应和气候极端事件持续升高，各类场景对制冷解决方案的需求日益增长，包括建筑、车辆及户外电气设备等。这凸显了开发环保、可持续且可扩展的无能耗制冷技术的紧迫性。辐射制冷是一种革命性的无能耗制冷方法，通过利用高太阳反射率和热辐射，将热量通过大气透明窗口散发至寒冷的深空。然而，在数据中心、车辆和通信基站等户外制冷应用中，需要制冷的物体往往因内部热量产生而比环境温度更高。因此，辐射冷却材料同时具备宽带选择性和高热导率具有显著优势。这种组合可实现从自发热物体向周围环境高效散热。因此，设计和制造能在低于环境温度和高于环境温度条件下有效工作的辐射冷却材料具有重要意义。然而，在处理高于环境温度的发热物体的辐射冷却时，多孔材料的高热阻会抑制内部热量散发，导致热量积聚。通过在聚二甲基硅氧烷薄膜上制备具有高散射和中红外透过率的聚乙烯纳米片气凝胶层，开发出一种柔性辐射冷却皮肤。该皮肤可通过热辐射有效冷却内表面。然而，在高于环境温度的场景中，高热阻会削弱或完全消除辐射冷却效果，导致热量积聚。一种具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维纳米尺度散射器被集成到柔性基体中，制成了一种热阻较低的光子薄膜。该薄膜在高于环境温度的辐射冷却中展现出卓越的散热和太阳能热屏蔽性能。然而，由于其低热阻，在非热生成场景中与环境直接接触会导致意外后果。尽管多孔结构材料在白天辐射冷却方面具有巨大潜力，但设计和构建能在低于环境温度和高于环境温度下均有效工作的多孔结构辐射冷却器仍面临重大挑战。这一困难主要源于其固有的低热导率，这限制了其在冷却高于环境温度的物体时有效散发内部热量的能力。

本文中，我们团队通过定向冷冻铸造策略制备了一种高度取向的纤维素纳米纤维（CNF）/氮化硼纳米片（BNNS）纳米复合气凝胶。该气凝胶具有取向的CNF骨架壁，形成了一个超薄的限制空间，使嵌入的BNNS能够取向排列，从而实现各向异性热导率。该气凝胶的热各向异性因子为3.48，在取向方向上展现出高达0.161 W m−1 K−1的热导率，显著高于径向方向及传统气凝胶的热导率值。此外，气凝胶中微孔与纳米孔结构的共存可有效散射全波段阳光，而嵌入的二维BNNS进一步增强了多孔结构的后向散射能力，使太阳能反射率达到惊人的95.3%。在前驱体中引入热引发的可聚合硅烷单体，可在冻干后的高温处理过程中促进形成低表面能、化学交联的聚硅烷结构。该过程增强了骨架结构中的界面相互作用，从而提升了气凝胶的机械强度和环境稳定性。因此，该气凝胶可作为高效的多场景辐射冷却材料，分别在低于和高于环境温度的条件下实现3.3℃和15.9℃的降温效果，从而解决了利用多孔结构材料冷却热源物体的挑战。

7.Yiting Zhang, Jiahui Sun, Yufeng Wang, Jian Meng, Leyao Liu, Leiqian Zhang, Wei Fan, Yue-E Miao, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Fire-Superinsulation and Customizable Radiative Thermal-Regulating Aerogels via 3D Cryopolymerization Printing.

Chemical Engineering Journal, 2025, 516, 164006.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164006

图7. 二氧化硅纳米复合气凝胶的设计制备及其宏观-微观图片

辐射热调节技术通过利用自然热源（如太阳辐射）和冷源（如外层空间），借助材料独特的谱选择性，提供了一种零能耗温度控制技术。辐射冷却是一种创新的被动冷却技术，通过反射阳光并利用大气透明度将热量散发到外层空间，有效降低温度。这种方法为缓解全球变暖提供了有前景的策略，无需外部能量输入。多孔结构材料在直射阳光下展现出优异的低于环境温度的冷却性能，这归因于其对太阳辐射的高米氏散射和对环境热的高效衰减，因此成为白天辐射冷却应用的极具潜力的候选材料。这些多孔材料的冷却效果主要由其表面入射太阳能量的总反射率决定。此外，多孔材料的宏观结构需定制化以适应不同应用中冷却对象复杂多变的表面形态。因此，开发可在微观和宏观尺度上实现定制化多孔结构的辐射冷却材料，既蕴含重要机遇，也面临重大挑战。二氧化硅气凝胶是一种高度多孔材料，其特征在于具有三维连续网络纳米结构，赋予其高比表面积和超高温绝缘等卓越性能。然而，纯二氧化硅气凝胶固有的“珍珠项链”纳米结构导致其机械性能较差，严重限制了其实际应用。为克服这些局限性，研究者采用了多种策略来提升二氧化硅气凝胶的结构稳定性和力学性能，包括高温处理、表面改性、结构调制、制备条件优化及骨架增强。，尽管其在白天辐射冷却方面具有巨大潜力，但开发具有定制宏观和微观结构且保持高热机械稳定性的纤维素-二氧化硅复合气凝胶仍是一项重大挑战。

在此，我们团队提出了一种通过3D冷聚合打印策略制备的具有精确工程化宏观和微观结构的二氧化硅纳米复合气凝胶。该方法独特地将冷聚合与直接墨水打印3D打印相结合，实现了在冰晶中对二氧化硅单体的打印成型和原位聚合。由此形成了一种双网络交织架构，由3D互联的孔隙硅纳米集群和纤维素纳米纤维网络组成。经冻干处理后，3D打印气凝胶展现出显著的力学各向异性，轴向方向呈现明显刚性，径向方向则具备压缩韧性。这些气凝胶在宽广的温度范围内展现出卓越的热绝缘性能，同时具备优异的阻燃特性。即使在800°C煅烧及1200°C丁烷火焰暴露后，仍能保持结构完整性和互联纳米多孔网络。其具有高中红外发射率，并具备优异的太阳能吸收性能。

8.Yufeng Wang, Song Liu, Xiaobo Zhang, Ying Liu, Tianyi Zhu, Baiyu Ji, Jianglong Chen, Yuanbo Cheng, Wei Fan, Yue-E Miao, Norbert Willenbacher, Chao Zhang*, Tianxi Liu. Thermal-Rectified Gradient Porous Nanocomposite Film Enabling Multiscenario Adaptive Radiative Cooling.

ACS Nano, 2025, 19(20), 19328-19339.

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02609

图8. 梯度交联聚合气凝胶的其光-热协同管理性能

辐射冷却是一种环保型被动冷却技术，其运行无需外部能量输入，可自主工作，在电子设备冷却、建筑节能及个人热管理等领域展现出巨大应用潜力。辐射冷却的核心原理在于通过反射阳光并利用物体与极寒外层空间之间的净辐射热传递，实现对物体的高效冷却。因此，提升辐射冷却材料冷却效能的关键在于优化其太阳反射率，同时增强其在大气透明度范围（8–13 μm）内的发射率。然而，与地球上材料发出的热辐射功率相比，太阳辐射的强度远高于此，这意味着即使是微量的太阳能量吸收也会抵消辐射冷却效果，导致温度升高。此外，在实际应用中，辐射冷却材料需与周围环境进行非辐射热交换（传导和对流）。当环境温度超过发射体温度时，这种相互作用尤为显著，这一常被忽视的因素会导致材料的净冷却功率显著降低。因此，开发兼具高太阳反射率、中红外发射率以及有效抑制外部非辐射热交换能力的辐射冷却材料，以提升辐射冷却系统的冷却效率，已成为当务之急。为了利用多孔聚合物材料中孔隙作为高效散射太阳光的单元，并实现高太阳反射率，孔隙尺寸应与太阳辐射的全波长范围相匹配。单一孔径或随机分布的孔结构无法提供精确的谱控和有效的阳光反射，从而降低辐射冷却效率。此外，尽管多孔聚合物材料的低热导率有助于抑制低于环境温度的辐射冷却场景中的非辐射热增益（如未加热的封闭空间，包括农产品储存、建筑物冷却和冷链运输），但在高于环境温度的辐射冷却应用中却面临挑战。在需要冷却自发热封闭空间的应用场景中，如发热电子设备、车辆和户外变电站，冷却多孔聚合物材料向周围环境的热传递受限，导致热量积聚，从而降低冷却效果。这些障碍显著限制了多孔聚合物辐射冷却材料的应用范围和冷却效能。

本文提出了一种梯度交联聚合策略，用于制备具有独特双梯度特性的梯度多孔纳米复合膜（GPNF），该膜在厚度方向上同时呈现纳米颗粒含量和孔径的双梯度分布。该膜的梯度孔径结构使得其能够在太阳光波长范围内实现高效的米氏散射，从而实现96.2%的近乎完全的太阳光反射率。此外，该双梯度多孔薄膜沿厚度方向呈现不对称热导率，从而展现出热整流特性，整流因子达30%。因此，该梯度多孔薄膜展现出适用于多种场景的灵活辐射冷却能力，可在封闭环境中分别在低于和高于环境温度时提供额外的2.4和2.2°C冷却效果，性能超越均匀多孔纳米复合薄膜。这种梯度多孔结构设计为开发热整流辐射冷却材料提供了新途径，可在宽温度范围内实现高效且适应性强的封闭环境辐射冷却。

9.Kai Chen, Mingjia Lu, Xiaoxiao Li, Shengyuan Yang, Roohollah Bagherzadeh, Feili Lai, Chao Zhang, Yue-E Miao*Tianxi Liu*.Vertically Directed Ion Transport at the Molecular Scale in Composite Solid Electrolytes Enabled by Nanofiber-Confined Alignment of Single-Crystal MOF Tubes.

ACS Appl. Mater. Interfaces ,2025, 17, 27, 39064–39074.

https://doi.org/10.1021/acsami.5c05910

图8. 新型的CSE的制备方法其电化学性能

随着对可充电电池更高能量密度的追求日益激烈，传统液体电解质（LEs）越来越难以满足不断变化的需求，这凸显了固态替代品的必要性。固体聚合物电解质（SPE）具有成本低、界面相容性好、加工方便等优势，在实际应用中具有巨大潜力，前提是其较低的离子电导率问题能够得到有效解决。过去十年间，通过在SPE中引入快速离子导电填料以制备复合固态电解质（CSEs）的策略，已成为平衡固态电解质实用性和离子导电性的有效改性方法。近年来，浸渍有离子液体的金属有机框架材料（MOF@IL）作为新型快速离子导电填料，因其独特的固液包覆结构和卓越的电化学性能（包括宽电化学窗口和极高的离子导电性）而备受关注。MOF的孔结构可作为储液库，在纳米尺度上有效限制离子液体（IL）的运动。这使得IL在微观尺度上保持类似液体的动态行为以实现离子传输，同时在MOF内部保持宏观上的固态和不可移动状态。此外，MOF中的金属中心可通过路易斯酸碱作用限制IL和锂盐中的阴离子移动性，进一步增强MOF对IL的纳米限制效应，从而提升电解质的整体Li+传输数。

在早期研究中，这些MOF@IL填料常以颗粒形式随机分散于聚合物基体中，导致离子传输路径不连续且曲折，严重削弱了其优势。为解决离子传输不连续性问题，将MOF@IL颗粒负载于纤维网络上被证明是一种可行策略。在纤维模板的引导下，MOF@IL颗粒沿纤维轴向方向密集排列，形成了更连续且相对高效的离子传输路径。然而，纤维网络在三维（3D）空间中的排列往往呈现无序或扭曲状态，这在纳米尺度上显著延长了CSE中的实际离子传输路径。此外，先前在MOF@IL系统中使用的绝大多数MOF均为多晶结构，其孔道结构在短距离内呈现有序排列，但在较长距离上则呈现无序状态，这不可避免地阻碍了分子尺度上的离子传输效率。因此，进一步在连续的MOF@IL通道内最小化离子传输的曲折度，以提升基于MOF@IL的CSE性能，仍是一项关键挑战。

在本研究中，我们团队开发了一种新型的CSE，其通过垂直排列的单晶MOF@IL管构建了从阳极到阴极平面在纳米和分子尺度上的低扭曲度离子传输通道。这种独特结构主要通过在聚丙烯腈（PAN）纳米纤维中共电纺单晶Co-MOF-74纳米管（NTs）来实现。在电纺过程中，Co-MOF-74 NTs在静电拉伸力的作用下倾向于沿纤维形成方向排列，并通过高速旋转收集器在PAN纳米纤维内进一步拉直，从而实现高度取向的排列。在Co-MOF-74 NTs的通道孔隙中注入离子液体（IL）并加入聚乙二醇（PEO）电解质后，可获得取向的PAN纤维/MOF@IL管/PEO膜。最后，通过沿与排列方向垂直的方向缠绕并随后切片，可形成相对于阴极和阳极平面垂直排列的PAN纤维/MOF@IL管/PEO阵列（简称VMTSE）。这种垂直排列结构确保了由MOF@IL管在纳米尺度上构建的离子传输路径具有优异的连续性和低扭曲度。此外，单晶Co-MOF-74纳米管（NTs）独特的内部一维（1D）通道孔隙沿管结构轴向完美对齐，进一步确保了分子尺度下连续且直接的快速离子传输。所得的VMTSE在60°C下展现出3.33 × 10^-3 S cm^-1的高离子电导率和0.56的Li⁺转移数（tLi⁺）。此外，对应的Li || Li对称电池和LiFePO₄（LFP）Li全电池均展现出卓越的循环性能，进一步验证了由纳米纤维限制和定向的垂直排列单晶MOF管结构在优化MOF@IL基CSEs分子尺度离子传输方面的优越性。

10.Chen Kai, Lu Mingjia, Li Xiaoxiao, Lai Feili, Zhang Chao, Lee Hiang Kwee, Miao Yue-E, Liu Tianxi.Enhanced Li⁺ transport across the organic-inorganic interface in composite solid electrolytes via a confined solvation strategy.

Nano Research, 2025, 18(6), 94907388.

https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907388

图10. 新型的CSE的制备方法其电化学性能

复合固体电解质（CSEs）是通过将具有快速锂离子传导能力的陶瓷填料掺入聚合物电解质中制备而成，理论上能够解决聚合物电解质离子电导率低的问题，同时保留易于加工和与电极接触良好的优点，有望成为下一代固态锂电池性能飞跃的突破点[1−9]。然而，与掺入非导电填料的 CSE 相比，大量研究表明，掺入快速锂离子传导填料的 CSE 并未实现预期的离子电导率显著提升。换句话说，这些快速锂离子传导陶瓷的潜力尚未得到充分发挥。相反，它们主要发挥的功能与非导电填料类似，例如降低聚合物基质的结晶度，以及通过有机-无机界面的路易斯酸碱相互作用促进局部锂盐的解离。许多研究人员已经发现，有机-无机界面处锂离子传输的巨大障碍是导致固态电解质性能不佳的关键因素。通常，在制备固态电解质的过程中，一些快速传导锂离子的无机填料暴露在空气中，会形成惰性氧化层。此外，当无机填料与聚合物电解质、锂盐和溶剂接触时，它们往往会经历一系列复杂的副反应，从而形成由无机分解产物组成的惰性层。这些惰性层无法在两相之间有效地传输锂离子，从而降低了固态电解质的整体离子电导率。此外，这些副反应通常会导致聚合物相的结构变化，这也削弱了锂离子在界面处的传输能力。例如，在聚氧化乙烯（PEO）电解质基质中，由于氧原子的过度消耗，在快速传导锂离子的填料界面附近形成了一个缺氧层，这进一步阻碍了有机相和无机相之间的锂离子交换。为了克服全固态电池中有机-无机界面处的锂离子传输障碍，最直接的方法是尝试消除惰性无机层。高温处理和化学蚀刻等方法已被报道能有效去除惰性层。为防止该层重新形成，还使用了聚多巴胺等表面改性剂来抑制不良反应的发生。此外，还开发了像琥珀酸酐这样的其他表面改性剂，它们不仅能防止无机层的形成，还能增强界面处的锂离子传输。尽管这些策略在很大程度上提高了不同界面处的锂离子传输效率，但离子传输过程的本质机制仍然是跨固-固界面，与跨固-液界面的离子传输相比，这存在固有的劣势。离子液体（ILs）具有高离子电导率、宽电化学窗口以及不燃、不挥发的出色安全性等特点，在电池研究中得到了广泛应用，并被视为在固态电解质（CSEs）中润湿有机-无机界面的理想液体。然而，许多研究仅涉及在制备过程中简单地将离子液体添加到固态电解质中，导致离子液体在整个聚合物基质中广泛分布，这极大地降低了其作为界面改性剂的效果。尽管一些研究人员已成功利用特定离子液体与聚合物之间的不相容性，使离子液体在固态电解质的陶瓷相表面分布，但实现这种离子液体选择性分布的条件过于严格，难以适用于所有类型的离子液体和聚合物。

在此，我们团队开发了一种用于复合固体电解质（CSE）的通用受限溶剂化策略，将固体-固体界面处具有挑战性的离子传输转化为稳定且高效的固体-液体界面离子传输。通过在纤维表面生长一层均匀的 ZIF-8 颗粒，并用含锂盐的离子液体（IL-Li）浸渍 ZIF-8 颗粒，随后注入聚氧化乙烯（PEO）电解质，本研究中可获得一种新型 CSE，记为 LLTO/ZIF-8@IL/PEO。由于 ZIF-8 颗粒的三维多孔结构赋予的高比表面积以及其丰富的具有路易斯酸特性的金属中心，LLTO/ZIF-8@IL/PEO 能够有效地作为储库，在 ZIF-8 装饰的 PEO-LLTO 界面处紧密吸附 IL-Li 并防止其扩散到 PEO 基质中。ZIF-8@IL 的受限溶剂化层对 PEO 和 LLTO 纤维均产生纳米级界面润湿效应，作为桥梁促进两相之间的高效离子交换，这一点已通过 7Li-7Li 二维交换光谱（2D-EXSY）核磁共振（NMR）得到证实。因此，LLTO/ZIF-8@IL/PEO 在 60°C 时表现出高达 1.07×10^-3 S·cm^-1的高离子电导率。采用 LLTO/ZIF-8@IL/PEO 组装的 Li||Li 对称电池和 LiFePO4（LFP）||Li 全电池均展现出出色的循环稳定性，进一步证明了受限溶剂化策略在增强聚合物-陶瓷界面的 Li+ 运输方面对于提升 CSE 性能的有效性。

11.Wang Fei, Chen Kai, Li Xiaoxiao, Fang Yan, Lu Mingjia, Zhang Chao, Miao Yue-E, Liu,Tianxi.Precise regulation of hydrogen bond networks for rapid ion transport in PEO-based composite solid electrolytes

Materials Horizons, 2025, 05,00484e.

https://doi.org/10.1039/d5mh00484e

图11. 新型的CSE的制备方法

固态锂金属电池（SSLMBs）作为一种新型的储能技术，因其高安全性及高能量密度而成为当前的研究热点。作为 SSLMBs 的核心组件，固态电解质（SSEs）在决定电池的整体性能方面起着至关重要的作用。在各种 SSE 中，基于聚乙烯氧化物（PEO）的电解质因其有利的锂离子传输性能、出色的机械柔韧性和出色的可加工性而受到广泛关注。但是，传统的 PEO 基电解质在室温下离子传导率较低，这是由于其高结晶度导致的链段运动受限，以及锂盐解离能力差所致。此外，基于 PEO 的电解质在高电压下容易分解，这限制了它们与高电压阴极的兼容性。这些缺点显然限制了它们在高性能 SSLMBs 中的实际应用。并且，无机填料与聚合物基质之间的不良界面相容性容易导致填料的严重聚集，这些填料具有较高的表面能，从而不可避免地破坏了渗透网络。此外，这种不充分的界面相互作用无法有效地抑制聚环氧乙烷（PEO）基体的高结晶度，进一步阻碍了离子传输，并限制了基于 PEO 的催化自电极（CSE）的整体电化学性能。为了解决这些挑战，人们探索了各种表面改性策略来改善无机填料与聚合物界面的性能。例如，硅烷偶联剂（如三甲氧基丙基硅烷）和表面活性剂改性（如十六烷基三甲基溴化铵）被用于改善 LLZO 在 PEO 基体内的分散性，并增强界面附着力。然而，这些研究只是通过调节界面相容性来改善 PEO 中无机填料的分散性，而没有充分利用有机-无机界面在提高 CSE 整体性能方面的潜力。近年来，氢键相互作用的应用已成为调节钙硫系电解质中有机-无机界面化学环境的一种极具前景的策略。

在本研究中，我们团队设计了一种在聚环氧乙烷（PEO）基共溶剂萃取（CSE）体系中可调控的氢键结合界面层，以优化离子传输路径，并阐明氢键相互作用如何促进锂盐的解离和锂离子的扩散，从而提高 CSE 的离子导电性。傅里叶变换红外（FTIR）分析表明，在 1057、1189 和 1141 cm⁻¹ 处的 -C-O-C 基团中有 62.9% 参与了锂离子的配位，这证实了优化的氢键网络能够调节局部锂离子环境并增强离子传导。因此，所得的 CSE 表现出最佳的离子电导率为 0.59 mS cm⁻¹，以及在研究样本中最高的锂离子转移数 0.63。组装的 Li‖LiFePO4（LFP）全电池在 60°C 下进一步展示了出色的循环稳定性和倍率性能。这些发现为在聚合物-无机填料界面进行界面改性以开发用于 SSLMBs 的高性能 CSE 提供了合理的设计策略。

12.Zhang Chenyu, Chen Kai, Li Xiaoxiao, Wang Zhaoyang, Yang Shengyuan, Bagherzadeh, Roohollah, Lai Feili, Zhang Chao, He Guanjie, Parkin Ivan P, Miao Yue-E, Liu Tianxi.Carbon Nanofiber Host with Directed Gradient Pore Size for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes.

ACS Applied Energy Materials, 2025, 8, 9, 6203–6212.

https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00632

图12. 梯度孔径的CPCF的制备方法和电化学性能

近年来，锂金属凭借其超高的理论比容量（3840 毫安时/克）和极负的电化学电位（相对于标准氢电极为−3.04 伏）成为了传统石墨负极（其容量限制为 372 毫安时/克）的理想替代品。然而，锂金属负极仍存在一些缺陷，包括体积的剧烈变化以及在循环过程中锂枝晶的失控生长。不断降低的库仑效率（CE）和迅速增加的阻抗导致电池循环寿命显著缩短，甚至引发诸如短路和火灾等安全问题，这使得锂金属负极和锂金属电池的商业化进程变得复杂。因此，迫切需要设计出具有高稳定性和安全性的新型锂金属负极。电池中的各个组成部分都付出了巨大努力来保护暴露的锂金属并抑制锂枝晶的生长，例如构建稳定的人工固态电解质界面（SEI）、开发改性隔膜、应用固态电解质以及使用特殊的锂合金。三维（3D）导电骨架已被设计出来，包括各种金属（如镍和铜）泡沫和碳纤维网络，作为锂金属负极的框架，以缓冲体积的大幅变化并容纳循环过程中大量的锂金属。实际上，通过提高三维结构的比表面积可以有效地降低局部电流密度，从而确保锂金属的均匀沉积。然而，由于顶部生长模式的影响，锂金属更倾向于在靠近隔膜一侧的导电骨架表面沉积，这会阻碍内部主体内的后续锂沉积，并无法充分利用主体的多孔结构。与此同时，“死亡”锂开始在顶部表面聚集，这会导致锂金属负极出现严重的极化现象，并降低其循环稳定性。由于骨架的不同区域中电场和锂离子的分布存在显著的不均匀性，这还会导致锂金属的沉积不均匀。因此，设计一种具有定向诱导均匀锂离子流动和沉积功能的三维导电骨架至关重要。

在此，我们团队通过连续静电纺丝技术设计了一种具有定向梯度孔径的碳纳米纤维骨架（GPCF），其面向隔膜一侧的大孔结构作为三维导电主体，用于实现锂金属的均匀沉积。与仅具有大孔径的碳纳米纤维骨架（LPCF）、小孔径的碳纳米纤维骨架（SPCF）或逆梯度孔径的纳米纤维骨架（IGPCF）相比，GPCF 能够有效地促进锂离子在顶部表面和整个主体内部的快速扩散和均匀浓度分布（图 1），从而在循环过程中实现更均匀的锂沉积。在电流密度为 0.5 mA cm^-2且容量为 1 mAh cm^-2的条件下，使用 GPCF 的半电池能够稳定运行超过 160 次循环，并保持约 99%的高库仑效率。然而，使用 LPCF、IGPCF 和 SPCF 的半电池在相同条件下只能分别维持 125 次、111 次和 90 次循环。在与 LiFePO4（LFP）阴极配对后，GPCF@Li||LFP 全电池在 0.5 C 电流下也展现出超过 400 次循环的出色稳定性。对定向梯度孔径对电纺碳纳米纤维骨架内锂离子分布和锂沉积的积极作用的深入分析，为锂金属电池中三维导电骨架的设计和构建提供了理论基础。

13.Ouyang Yue, Zong Wei, Gao Xuan, Leong, Shi Xuan, Chen Jaslyn Ru Ting, Dai Yuhang, Dong Haobo, Miao Yue-E, Liu Tianxi.Regulating Interfacial Molecular Configuration to Drive Facet-Selective Zn Metal Deposition.

Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202504965.

https://doi.org/10.1002/anie.202504965

图13. 不同烷基链长度的二元酸对Zn表面吸附构型、吸附强度及沉积速率的影响

在推进下一代电池技术的发展过程中，金属负极材料（包括锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、钙（Ca）和锌（Zn））因其理论能量密度高而受到广泛研究。在这些材料中，Zn因其化学稳定性、可持续性和非易燃性等独特优势，成为安全且能量密度高的水系电池的理想阳极候选材料。然而，Zn阳极在连续充放电循环过程中容易形成不规则树枝状晶体，这会加速容量衰减并可能引发内部短路，严重影响电池的可逆性和循环寿命。这些复杂且松散的锌形态主要源于传统界面系统中锌离子（Zn²⁺）的无控扩散，导致其在水平排列的Zn(002)面、垂直取向的Zn(100)面及Zn(101)面上随机沉积。

本团队通过基础研究揭示了不同烷基链长度的二羧酸如何调节其在锌表面的吸附构型/强度及沉积速率，最终实现对高度晶面选择性锌沉积的控制。通过系统性的理论与实验研究，我们发现其在Zn(002)晶面上的吸附能力呈现火山状趋势，与烷基链长度密切相关。具有中等长度烷基链的戊二酸（GA）在稳定的“平躺”构型下与Zn(002)晶面表现出最强相互作用。形成的Zn-GA金属-分子界面调节Zn2+扩散，抑制了Zn(002)晶面的正常生长，同时促进了Zn(100)和Zn(101)晶面的更快生长，从而实现了对Zn(002)晶面的选择性暴露。

14.Wang Jing, Miao Yue-E. Cellulose nanocrystals-based nanocomposites for sustainable energy

storage technologies: From aligned microstructures to tailored performances.

Composites Communications, 2025,54, 102258.

https://doi.org/10.1016/j.coco.2025.102258

图14.纤维素衍生材料及其在可持续能源存储中的应用示意图

根据2015年通过的《巴黎气候协定》，共有131个国家宣布并同意实施国家净零排放目标；这些目标旨在到2050年将所有温室气体排放量降至净零，以稳定全球平均气温。然而，对各国当前承诺和行动的分析表明，这些措施不足以实现《巴黎协定》将全球平均气温升幅控制在工业革命前水平以上2℃以内，并努力将升幅限制在1.5℃以内的目标。目前，碳中和概念（即所有人为来源的二氧化碳（CO2）排放实现净零）已引起政策制定者和研究人员的广泛关注，越来越多的缔约方政府已制定了碳中和目标。值得注意的是，全球气候变化危机与碳基化石燃料的过度使用密切相关，同时伴随着21世纪交通、照明、供暖和制冷等领域能源消耗的加速增长。因此，实现未来净零排放能源系统的可行且长期解决方案是通过电气化及利用可再生能源（如风能、太阳能、潮汐能、地热能）发电，替代碳基化石燃料发电。由于可再生清洁能源的间歇性特征，研发能源存储设备和技术（如可充电电池等）的努力需要同步推进，以实现高效、可靠且经济实惠的零排放能源系统。此外，受电动汽车市场预期增长的驱动，每种后锂离子电池（LIB）技术在竞争性工业应用中的另一个关键问题是延长纯电动汽车（包括混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车和电动汽车）的续航里程；这将有助于减少对化石燃料的依赖。提高能量密度的有前景的解决方案是将SIBs/PIBs（如碳材料）中的插层型阳极替换为钠金属。值得注意的是，钠金属作为阳极材料具有巨大潜力，因为它储量丰富、理论容量高（1165 mAh g^-1）且氧化还原电位低（−2.714V vs. 标准氢电极）。因此，钠金属电池（SMBs）被认为是下一代大规模应用中最具前景的高能量密度和低成本储能系统之一。然而，SMBs发展的主要障碍与钠沉积/剥离过程中形成的不可控树枝状晶体生长、电池循环寿命下降、电池短路，以及最终因钠树枝状晶体穿透隔膜到达正极而引发的火灾和事故有关。值得注意的是，大多数长期稳定的钠金属负极是在醚基电解质中进行评估的。碳酸盐基电解液是锂离子/金属电池的现有商业化且广泛应用的选择，因其成本低廉且具有更好的氧化稳定性，可支持高电压正极材料。然而，关于SMB在碳酸盐基电解液中长期循环寿命的报道寥寥无几，这主要归因于其还原电位高于以太基电解液。因此，这是一个具有挑战性的研究领域。