近日，中國(guó)科大工程學(xué)院/太陽能光熱綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裴剛教授和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室/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，該方法分別以太陽（約6000K）和太空（約3K）為熱源和冷源，巧妙利用光譜自適應(yīng)智能涂層來解決光熱轉(zhuǎn)換過程和輻射制冷過程的光譜沖突，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的冷熱能量捕獲和利用。相關(guān)研究成果以“Self-adaptive integration of photothermal and radiative cooling for continuous energy harvesting from the sun and outer space”為題，于2022年4月19日發(fā)表在國(guó)際著名期刊“Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）”。

人類社會(huì)使用的絕大部分能源均來自于太陽輻射，能源做功利用之后的余熱則可以通過中紅外熱輻射散失到低溫太空中去。從熱力學(xué)的角度來看，太陽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)換通過對(duì)太陽輻射直接利用，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大氣窗口（8-13μm）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?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出利用光譜自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制對(duì)太陽熱源和太空冷源進(jìn)行時(shí)間解耦，突破目前對(duì)太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。

該工作中，研究團(tuán)隊(duì)研制了一種基于二氧化釩(VO2)相變材料的多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層，該涂層在白天太陽輻照下處于金屬態(tài)，整體涂層太陽吸收率為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，該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。這一研究結(jié)果為基于太陽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。

裴剛教授團(tuán)隊(duì)一直致力于太陽能和天空輻射制冷領(lǐng)域的研究，一方面發(fā)展了太陽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)方面深耕于日間天空輻射制冷技術(shù)，通過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)了太陽輻照條件下的被動(dòng)制冷效果。上述技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、光伏冷卻、熱電轉(zhuǎn)換以及深空探索等領(lǐng)域。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)控研究以及在紅外/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。

論文的第一作者為工程學(xué)院的敖顯澤、趙斌和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的李博文，通訊作者為裴剛教授和鄒崇文研究員。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金以及多能互補(bǔ)能源轉(zhuǎn)化研究中心等項(xiàng)目和機(jī)構(gòu)的支持。相關(guān)測(cè)試工作也得到了中國(guó)科大微納中心以及同步輻射國(guó)家實(shí)驗(yàn)室軟X射線磁性圓二色實(shí)驗(yàn)站(BL12B)和紅外譜學(xué)和顯微成像實(shí)驗(yàn)站(BL01B)的大力支持。（來源：中國(guó)科大）