邹武威博士生RSER: 水凝胶材料在提升建筑能效方面的研究进展

2025年9月20日，《Renewable and Sustainable Energy Reviews》杂志刊登了课题组邹武威博士生的最新综述论文：Advances in hydrogel-based materials for improving building energy efficiency. (https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116303）

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

建筑节能与脱碳对全球能源消耗和碳排放具有深远影响。提升建筑组件性能并拓展其功能，不仅能够显著提高建筑能效，还能通过主动适应动态气候条件，有效保障室内环境的舒适性。水凝胶作为一种亲水性的三维聚合物材料，因其可调控的理化性质、优异的亲水性和良好的力学性能，近年来在建筑系统中展现出巨大的应用潜力。基于此，本综述系统总结了水凝胶材料在建筑节能领域的最新研究进展，重点阐述其在建筑立面太阳能调控、室内湿度调节及建筑表面热管理等方面的应用。同时，针对水凝胶在传热传质过程中面临的局限性，文章讨论了多孔材料在热质传递优化方面的相关方法，以强化水凝胶的吸附与解吸动力学特性。最后，对未来水凝胶基复合材料的设计方向进行了展望。本综述为水凝胶基材料在建筑围护结构与室内环境中的应用提供了系统分析与前瞻思考，旨在推动建筑向高性能、低碳化转型。

【核心内容】

(1) 水凝胶基智能窗

响应型水凝胶在温度、光照、电场等外界刺激下能够发生可逆相变并伴随着透明度变化，具有优异的光学调控性，是作为智能变色窗的理想材料之一。根据不同的响应机制，水凝胶基智能窗主要可以分为热致变色（TC）和电致变色（EC）两种。热致变色窗可以根据温度波动智能调节其光学特性和室内太阳得热量。同理，电致变色窗可以通过施加外部电压来实现可见光和太阳辐射的主动管理。

如图1所示，论文首先回顾了过去十年间水凝胶基热致变色窗的研究进展。自从2014年水凝胶基智能窗被报道以来，水凝胶基热致变色窗逐渐朝着光学性能强化、太阳能多功能利用以及多刺激响应等优化方向不断演变，逐渐发展为具有高太阳能调制率、高响应速度、宽响应范围的多功能智能窗。此外，围绕热致变色窗的多项性能指标，系统综述了包括下临界溶解温度（LCST）调控（图2）、机械性能强化、响应速率提升、光学性能提升以及多功能性演变（图3）在内的调控机理和研究进展。

相较于热致变色窗大多依赖于被动的热刺激，电致变色窗通过电刺激主动调节光学特性，实现对太阳辐射的动态调控。典型电致变色窗具有多层结构，包括两个透明导电电极、EC膜、电解质和离子存储层。在EC系统的各个组成部分中，电解质在传导离子方面起着关键作用。水凝胶凭借理化性质可调及结构优势，在众多材料中脱颖而出。其中，离子型水凝胶凭借高导电性、光学透明性、柔韧性及可调性，能够同时作为电极、电解质和离子存储层，大大简化了电致变色窗的结构，并提供了优越的显色效率（图4）。同时，为了进一步提高光学性能，在结构中引入热致变色水凝胶，作为电解质的同时，实现热-电双响应特性。

(2) 水凝胶基除湿和热管理构件

作为多孔基质，水凝胶材料为吸湿盐（如LiCl）的负载提供了大量的通道和位点，这使其具有优异的吸湿性能，能够从室内或大气环境中捕获水蒸气并储存在材料内部。如图5所示，吸湿性水凝胶的工作流程包括两个不同的过程：从周围环境中吸收水分；在热刺激下实现液态水汽化并脱附，实现再生。其中，吸附过程包括了蒸汽扩散和液体输运过程。水蒸气通过范德华力扩散到微孔中，随后在聚合物骨架表面被盐颗粒捕获。随着含水量增加，水凝胶的交联聚合物网络赋予足够的强度来维持凝胶骨架。积累的液态水与水凝胶基质之间形成氢键，确保水的安全储存，不会泄漏。当表面水蒸气分压与空气水蒸气分压相等时，吸附达到平衡状态。在脱附阶段，通过加热，水凝胶所含液态水汽化、脱附，实现再生。

根据上述工作原理，吸湿水凝胶可用于室内除湿以及建筑表面热管理。通过将吸湿水凝胶涂覆在包括除湿转轮、换热器等结构表面，或者集成为吸附模块，可以实现受限空间内快速、高效除湿（图6）。对于吸附的水，可以进一步经过脱附、捕获、富集等过程以提供生产、生活用水。而对于吸湿水凝胶的再生过程，得益于液-气相变的高蒸发潜热，使得水凝胶成为具有前景的被动蒸发冷却材料。夜晚，吸湿水凝胶从环境中吸附水蒸气并储存。白天，在太阳辐射的作用下，水凝胶实现再生，同时带走建筑表面余热，实现有效的建筑围护结构热管理（图7）。

(3) 吸湿水凝胶热质强化方法

吸湿水凝胶的性能取决于其热质传递过程。与常规吸附剂相比，吸湿水凝胶具有更高的吸水能力，相对较低的解吸温度和较宽的湿度响应性。然而，受限于有限的界面传质面积，较高的内部扩散阻力，以及缓慢的内部热传递过程，需要进一步优化吸湿水凝胶的传热传质过程，以提高其吸附和解吸动力学特性。

对于吸附动力学特性，关键在于优化水蒸气在水凝胶内部的扩散、吸附和输运过程。对于水蒸气扩散，其遵循菲克扩散定律，主要受有效扩散系数（D_eff）和水蒸气浓度差影响。特别地，D_eff 参数受多孔介质的孔隙率ε和曲折度τ影响，提高孔隙率并降低曲折度有利于提高水蒸气扩散速率（图8）。对此，文章总结了包括使用孔隙发泡剂、聚合抑制剂、水溶性模板以及冻融法等方法以增大多孔介质孔径，显著地改善了水蒸气扩散性能。这些方法虽然提高了孔隙率，但孔道的方向不可控，无法建立连续、定向的孔道结构以降低曲折度。冷冻铸造（又称“冰模板法”）是一种制备有序多孔材料的技术，其基本原理是通过构建定向温度梯度以冷冻混合溶液或浆料，使得冰晶在冷冻表面上成核，并沿着温度梯度定向生长，经过冷冻干燥后，最终得到有序的、具有定向孔道的结构。

对于脱附过程，为了提高吸湿水凝胶的热再生速率，现有研究从四个方面进行了优化（图9）：(1) 宏观：与强化传热结构复合，增加传热面积；(2) 微观：调节水分子间的化学相互作用，降低解吸焓；(3) 材料性能：负载高导热填料，强化内部传热；(4) 再生原理：引入热响应型水凝胶，通过聚合物相变实现低焓再生。

【成果小结】

在本研究中，我们系统地回顾了新型水凝胶材料在建筑围护结构以及建筑环境中的应用，包括智能窗户系统、室内湿度控制以及建筑表面热管理。此外，我们还探讨了强化吸湿水凝胶内部热质传递过程的基本原理及优化方法，以提高其吸附和解吸动力学特性，实现快速、高效、低成本的吸湿及再生。最后，我们对目前水凝胶材料仍然面临的挑战以及未来水凝胶基复合材料的设计提供了深入的见解。

【作者介绍】

邹武威：清华大学建筑技术科学系博士生

该论文的第一作者是清华大学建筑技术科学系博士生邹武威。邹武威致力于研究多孔材料热质性能强化，已在Renewable and Sustainable Energy Reviews, Engineering, Energy Conversion and Management等国际期刊发表论文六篇（第一作者论文三篇），授权发明专利两项。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉和香港城市大学能源与环境学院博士后陈着，共同作者还包括香港城市大学副教授吴伟。

本文引用格式

Zou, W., Wu, W., Mo, J., & Chen, Z., Advances in hydrogel-based materials for improving building energy efficiency. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2026, 226, 116303. (IF: 16.3)

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）与深圳市自然科学基金项目（项目号：JCYJ20240813143502004）的资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116303

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