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無(wú)需外部能源消耗，能夠分別以太陽(yáng)、太空為熱源、冷源實(shí)現(xiàn)“冷熱雙吸”，可持續(xù)捕獲利用太陽(yáng)和深空的冷熱能量，在同一個(gè)材料上實(shí)現(xiàn)“冷熱同體”，聽上去似乎只存在于科幻當(dāng)中。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院太陽(yáng)能光熱綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裴剛教授，與該校核科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄒崇文研究員聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種全新的能量利用方法，讓“科幻”照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。研究人員分別以太陽(yáng)(約6000K)和太空(約3K)為熱源和冷源，巧妙利用光譜自適應(yīng)智能涂層來(lái)解決光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程和輻射制冷過(guò)程的光譜沖突，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候持續(xù)的冷熱能量捕獲和利用。這項(xiàng)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際著名期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。

神奇涂層讓新材料“冷熱同體”

人類社會(huì)使用的絕大部分能源均來(lái)自于太陽(yáng)輻射。能源做功利用之后的余熱，一般是通過(guò)中紅外熱輻射散失到低溫太空中去。

從熱力學(xué)的角度來(lái)看，太陽(yáng)和太空是地球能量循環(huán)的終極熱源和終極冷源。光熱轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射直接利用，獲得高溫?zé)崮?。而天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過(guò)大氣窗口直接發(fā)射至低溫太空，獲得低溫冷量，實(shí)現(xiàn)對(duì)深空低溫的超遠(yuǎn)距直接利用。

然而，目前的光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷都依賴于靜態(tài)的光譜選擇性涂層，但兩種過(guò)程存在紅外光譜沖突，目前技術(shù)都是對(duì)單一目標(biāo)、單一功能的利用。有沒有可能存在一種涂層材料，既能吸熱又能吸冷呢?

面對(duì)這一具有挑戰(zhàn)性的課題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在前期工作積累的基礎(chǔ)上，發(fā)起了新的探索。裴剛教授團(tuán)隊(duì)一直致力于太陽(yáng)能和天空輻射制冷領(lǐng)域的研究。鄒崇文研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事二氧化釩相變薄膜的制備、相變調(diào)控研究，在紅外/太赫茲器件、智能涂層、激光防護(hù)和非制冷紅外探測(cè)器等方面的器件應(yīng)用研究方面造詣?lì)H深。

兩支科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合與碰撞產(chǎn)生了創(chuàng)新的火花。他們創(chuàng)新性提出利用光譜自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制對(duì)太陽(yáng)熱源和太空冷源進(jìn)行時(shí)間解耦，突破目前對(duì)太陽(yáng)熱源和太空冷源的單一利用方式。

為了達(dá)到這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)研制了一種基于二氧化釩相變材料的多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層，該涂層在白天太陽(yáng)輻照下處于金屬態(tài)，整體涂層太陽(yáng)吸收率為0.89，紅外發(fā)射率僅為0.25，表現(xiàn)為光熱吸收特性;在夜間無(wú)輻照條件下，處于絕緣態(tài)，涂層在大氣窗口波段具有高的發(fā)射率，在其余中紅外波段具有低的發(fā)射率，表現(xiàn)為輻射制冷特性。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，使用了多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層的實(shí)驗(yàn)器件，表面溫度在白天可以比環(huán)境溫度高170℃，在夜間可以比環(huán)境溫度低20℃，具有白天光熱轉(zhuǎn)換、夜間輻射制冷的自適應(yīng)功能。器件可以24小時(shí)全天候運(yùn)行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。

“我們主要的技術(shù)突破，是解決了光熱轉(zhuǎn)換和輻射制冷存在的紅外光譜沖突，并分別強(qiáng)化其性能，在同一個(gè)材料上實(shí)現(xiàn)‘冷熱同體’，優(yōu)化了空間和成本。”裴剛說(shuō)，這項(xiàng)研究一方面發(fā)展了太陽(yáng)能與天空輻射制冷綜合利用理論并提出了多種綜合利用過(guò)程的光譜耦合原則，引入光學(xué)薄膜和光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了涂層多截止波長(zhǎng)下的光譜選擇性;另一個(gè)方面，研究團(tuán)深耕日間天空輻射制冷技術(shù)，通過(guò)高性能光譜選擇性涂層的開發(fā)、低熱損系統(tǒng)研制以及輻射傳輸路徑優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)輻照條件下的被動(dòng)制冷效果。

助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來(lái)還可給太空基地供能源

“冷熱雙吸”新材料的橫空面世，為基于太陽(yáng)熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑。

人類利用陽(yáng)光已開發(fā)出不少應(yīng)用，比如光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器等。而利用太空輻射制冷，近年來(lái)成為國(guó)際新興科研熱點(diǎn)。

裴剛表示，他們研制的這種新材料，表面溫度白天可比環(huán)境溫度高170攝氏度，夜晚可比環(huán)境溫度低20攝氏度，能夠24小時(shí)全天候運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、光伏冷卻、熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、緩解地球溫室效應(yīng)等具有積極意義。未來(lái)還可用于深空探索，供應(yīng)太空基地能源等方面發(fā)揮作用。(科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒)