Bioinspired Multilayer Structures for Energy-Free Passive Heating and Thermal Regulation in Cold Environments

材料科学 气凝胶 消散 热的 玻璃 被动式太阳能建筑设计 被动冷却 复合材料 光电子学 环境科学 气象学 热力学 物理
作者
Jing Wang,Xiameng Shan,Peiying Hu,Chengjiao Zhang,Dengsen Yuan,Xueyan Hu,Jin Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (41): 46569-46580 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acsami.2c12610
摘要

Passive thermal regulation has attracted increasing interest owing to its zero-energy consumption capacity, which is expected to alleviate current crises in fossil energy and global warming. In this study, a biomimetic multilayer structure (BMS) comprising a silica aerogel, a photothermal conversion material (PTCM), and a phase change material (PCM) layer is designed inspired by the physiological skin structure of polar bears for passive heating with desirable temperature and endurance. The transparent silica aerogel functions as transparent hairs and allows solar entry and prevents heat dissipation; the PTCM, a glass plate coated with black paint, acts as the black skin to convert the incident sunlight into heat; and the PCM composed of n-octadecane microcapsules stores the heat, regulating temperature and increasing endurance. Impressively, outdoor and simulated experiments indicate efficient passive heating (increment of 60 °C) of the BMS in cold environments, and endurance of 157 and 92 min is achieved compared to a single aerogel and PTCM layer, respectively. The uses of the BMS for passive heating of model houses in winter show an increase of 12.1 °C. COMSOL simulation of the BMSs in high latitudes indicates robust heating and endurance performance in a -20 °C weather. The BMS developed in this study exhibits a smart thermal regulation behavior and paves the way for passive heating in remote areas where electricity and fossil energy are unavailable in cold seasons.
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