针对上述挑战，东南大学刘诚教授、赵东亮教授、张云升教授和高建明教授合作，通过水凝胶限域矿化水泥熟料，对水泥水化进行结构编程，构建坚固、分级多孔的C–S–H网络，将宽谱光散射、蒸汽传输和隔热集成于一体。通过调控水合物组成和结晶度，材料在不使用额外光子填料的情况下实现约95%的太阳反射率和约98%的红外发射率；网络吸湿特性还使其在潮湿或多云条件下实现持续蒸发冷却。生命周期分析表明，该策略可将高排放水泥转化为集成于不透明建筑围护中的碳减排材料，为日间辐射冷却的规模化部署提供路径。相关论文以“Scalable Hydrogel-Programmed Porous Photonic Cement for Passive Daytime Cooling”为题，发表在Advanced Materials上。

研究以吸湿水凝胶作为临时骨架支撑水泥颗粒（图1a），通过一锅法完成自固化：先形成连续三维水凝胶网络固定固体颗粒并抑制高水灰比泌水（图1b），随后水凝胶供水使水泥原位溶解，钙离子经网络传输，C–S–H沿骨架保形成核生长（图1c），水化后原始水通道保留为微米孔，纳米二氧化硅提供额外成核位点并促进水化产物连续沉积，最终形成连通孔隙占总孔体积98%的刚性多孔网络（图1d、图1e），且水凝胶态可弯曲、编织并浇铸成形。

图1 CBPC的制备与结构。（a）示意图说明CBPC作为建筑围护系统的冷却原理。灰色建筑（左）在强日照下吸收太阳热并成为夏季热源，而采用CBPC的白色建筑（右）通过抑制太阳吸收、阻挡传导和对流并利用水蒸发潜热进行耦合冷却而成为冷源。插图展示CBPC的制备过程：从混合溶液经凝胶化，最终形成刚性多孔水泥—水凝胶复合结构。（b）固化前水凝胶状态（i）和固化后刚性网络状态（ii）的CBPC。（c）CBPC从水凝胶状态转变为以C–S–H为主的刚性网络状态的SEM微观结构。（d）通过nano-CT获得的CBPC三维重构图像。蓝色结构代表连通孔，红色结构代表孤立孔。（e）基于CT图像处理的微米级孔径分布以及连通孔隙率和孤立孔隙率。

这种分级孔结构直接转化为优异光学性能：户外红外热像直观显示CBPC板表面温度低于周围建筑材料（图2a），CBPC干态太阳反射率达95.3%，湿态仍保持91.6%，红外发射率约98%且湿态基本不变（图2b），反射和发射对入射角仅弱依赖（图2c）。机理上，C–S–H带隙约5.2 eV、太阳波段消光系数低，大量约1 µm微孔高效散射太阳光（图2d、图2e），50–500 nm纳米孔增强短波可见光散射；80℃水热固化使纳米二氧化硅消耗氢氧化钙生成额外C–S–H并部分转化为托贝莫来石（图2g），提高基体—空气界面折射率对比，从而在不依赖光子填料的情况下增强宽谱反射（图2f、图2h）。

图2 CBPC的微观结构、组成和光学性能。（a）CBPC板在真实户外条件下的冷却性能，通过红外热像验证并直接可视化。（b）白水泥和CBPC在干态和湿态下的太阳反射率和大气窗口发射率。（c）CBPC的角度太阳反射率值和角度大气窗口发射率值。（d）CBPC的MIP测试孔径分布。（e）（i）干态多孔CBPC系统的模拟散射效率，（ii）湿态CBPC的模拟散射效率。（f）对多种粉体材料压片样品进行太阳反射率测量，包括WPC、常规CBM、CH、非晶C–S–H、非晶C–S–H种子和托贝莫来石。所有样品测试前均在30 MPa恒定压力下压成片。具体而言，WPC指未水化水泥熟料，CBM代表常规水化水泥结构，非晶C–S–H种子指未水化合成C–S–H，托贝莫来石代表结晶度较高的C–S–H。（g）含和不含纳米二氧化硅的CBPC在不同固化温度下的XRD图谱。（h）含和不含纳米二氧化硅的CBPC在不同固化温度下的紫外—可见—近红外反射曲线，其中s-80℃表示掺杂纳米二氧化硅并在80℃水浴中固化的CBPC。

在热学与吸湿蒸发方面，优化孔结构使材料在干密度约422 kg/m³时兼具5.9 MPa机械强度和0.078 W·m⁻¹·K⁻¹低热导率（图3a、图3b），微/纳多孔结构和水凝胶共同缓解应力集中；80%相对湿度下CBPC吸水量约为普通水泥的五倍（图3e），无机LiCl相是主要吸湿中心，水凝胶与C–S–H表面位点协同储水，毛细网络支持水分传输（图3d、图3f），反复吸附—脱附后仍保持高吸湿性，超疏水表面改性后仍保留蒸气传输路径。蒸发推进时基体内形成湿度梯度并产生较干表面层（图3g），使顶面反射率在约1500 W/m²照射2 h后由78%升至89%（图3h），60%相对湿度和0.04 kg·m⁻²·h⁻¹蒸发速率下可维持约5℃降温（图3i）。

图3 CBPC的热传输、力学性能和蒸发冷却能力。（a）示意图表明CBPC的多孔结构有助于降低结构内热导率。（b）常见围护结构作为功能材料、结构/功能材料和结构材料时的比强度与热导率。（c）CBM、涂覆在水泥基材上的商业冷却涂层和CBPC的温度监测：（i）在40℃热台上，（ii）在1000 W/m²氙灯照射下（顶面和底面），测试示意见补充图S15B。（d）CBPC夜间吸湿示意图。（e）白水泥、含LiCl白水泥、水泥基辐射冷却材料和CBPC在不同相对湿度下的水蒸气吸附能力。（f）通过nano-CT重构CBPC孔结构并进行单向渗流模拟。（g）CBPC白天蒸发过程中水分梯度分布示意图。（h）蒸发过程中不同时间CBPC顶面和底面的太阳反射率值。（i）不同湿度和温差下的模拟蒸发速率。

户外实测进一步验证了集成冷却优势：南京测试（图4a）中CBPC昼夜均低于环境温度，白天较辐射冷却对照CBRC最大低约5.8℃，峰值环境温度时集成冷却最大降温约12℃（图4b），连续6天较常规灰色水泥最大降温约21℃并维持超过9 h连续蒸发（图4c），阴天平均降温约3.8℃、雨后最大约20℃（图4d）。电热补偿测量显示水饱和CBPC平均补偿功率约179 W·m⁻²，其中约117 W·m⁻²归因于蒸发冷却、约62 W·m⁻²为辐射贡献，表明湿态高冷却功率来自辐射与蒸发协同且蒸发占主导，集成冷却超过任一单独模式极限（图4e）。

图4 CBPC的户外冷却性能和模拟冷却功率。（a）表征低于环境温度冷却性能的实验装置。（b）CBRC和CBPC的昼夜温差。（c）灰色水泥和CBPC连续6天户外温度监测（2025年8月18日至22日测量）。（d）CBPC在多云、降雨和雨后条件下的温度曲线。（e）不同环境湿度下（i）辐射冷却、（ii）蒸发冷却和（iii）集成冷却的模拟冷却功率贡献。

应用评估显示，CBPC可制成米级构件（图5a），并可制成幕墙板、砖、瓦等不同几何构件（图5b）；全球评估显示仅辐射冷却的节能潜力主要集中于热带和亚热带（图5c），而对20个代表城市模拟表明，集成冷却在所有气候区增强节能，高温高湿地区额外贡献年均25.4 MJ/m²，平均较基线降低冷却能耗约31%（图5d）；其制造阶段碳足迹较常规水泥板低30.4%，成都应用每年每平方米减少12.5 kg CO₂/m²排放（图5e），兼具成本优势和规模化建筑围护应用潜力（图5f）。

图5 CBPC在建筑围护中的节能和减排潜力。（a）米级CBPC构件。（b）不同几何形状CBPC构件的照片，包括幕墙板、砖和瓦。（c）考虑制冷、风扇和供暖设备能耗的水泥基辐射冷却系统节能性能全球评估。（d）典型气候区蒸发冷却、辐射冷却和集成冷却的节能效果。（e）基于生命周期评估的碳足迹分析。（f）CBPC的多目标评价。