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鄭州大學(xué)王建峰/王萬杰 Adv. Sci.：太陽-紅外寬光譜高吸收/發(fā)射高分子復(fù)合材料用于全天候輻射熱/冷收集與熱輻射能量轉(zhuǎn)換

2024-12-31 來源：高分子科技

傳統(tǒng)的采暖和制冷方式占據(jù)了社會(huì)總能耗的50%以上，導(dǎo)致了大氣污染和溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題。因此，如何有效利用可再生清潔能源進(jìn)行加熱和制冷，并將熱能和冷能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他可利用的能源，已引起越來越廣泛的關(guān)注。輻射熱管理作為一種新型的加熱和制冷手段，無需額外的能量消耗，為解決傳統(tǒng)熱管理技術(shù)能耗高和污染大的問題提供了一種全新的解決方案。在日常生活中，物體所吸收熱量主要來源于太陽熱輻射，其波長(zhǎng)覆蓋了280-2500 nm，能夠穿透大氣層到達(dá)地球表面。而地表物體發(fā)射的熱輻射波長(zhǎng)大約在5-20 μm之間，主要通過8-13 μm的透明窗口向寒冷的外太空傳輸熱量。在同一區(qū)域內(nèi)集成太陽輻射加熱與紅外輻射制冷，有助于進(jìn)一步提升太陽能和紅外輻射的利用效率，實(shí)現(xiàn)全天候的輻射熱管理。

近日，鄭州大學(xué)材料學(xué)院的王建峰副教授和王萬杰教授團(tuán)隊(duì)基于高分子材料普適性的紅外高發(fā)射和太陽光吸收能力，通過高分子材料自發(fā)的光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷，將輻射加熱/制冷與環(huán)境之間的溫差結(jié)合，基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電設(shè)備，成功制備了大面積的全天不間斷輻射-熱-電轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的熱輻射能量轉(zhuǎn)換收集（圖1）。在夜間，常見高分子材料的夜間輻射制冷效果可達(dá)低于環(huán)境溫度約8 ℃。隨著晝夜轉(zhuǎn)換，太陽輻照度迅速增加，材料的溫度也隨之上升，從而實(shí)現(xiàn)日間輻射能源收集（圖2）。結(jié)果表明，常見聚合物TPU、PVC、PEEK基的集成裝置分別能夠輸出最高113.7 mV、91.9 mV、128.2 mV的開路電壓。同時(shí)，由于商業(yè)化的部件裝配，使得該輻射-熱-電轉(zhuǎn)換裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較以往研究更大面積的應(yīng)用。如圖3所示，通過串聯(lián)熱電模塊，制備了能夠在日間為手機(jī)供電與夜間點(diǎn)亮LED的大面積輻射-熱-電轉(zhuǎn)換裝置，裝置能夠輸出最大約4.97 mW的功率與約1.7 V的開路電壓。該研究以“Common polymers for all-day uninterrupted thermal energy harvesting and power generation”為題發(fā)表在《Materials Today Energy》上（Mater. Today Energy 2025, 48, 101767）。

圖1. 全天不間斷輻射-熱-電轉(zhuǎn)換設(shè)備工作原理示意圖。

圖2. 常見高分子戶外集冷集熱曲線與輻射-熱-電轉(zhuǎn)換性能。

圖3. 大面積制備的輻射-熱-電轉(zhuǎn)換裝備及應(yīng)用。

基于上述研究，實(shí)現(xiàn)全天候高效輻射熱管理及不間斷輻射-熱-電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于開發(fā)具有寬光譜太陽高吸收和紅外高發(fā)射特性的高分子材料（圖4）。如何以綠色環(huán)保、簡(jiǎn)單的方式制備寬光譜高吸收/發(fā)射高分子復(fù)合材料，仍是亟待解決的核心問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的輻射熱/冷收集與能量轉(zhuǎn)化具有重要意義。

該團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單的熔融共混方法，成功制備了具有太陽/紅外寬光譜高吸收特性的PP/PP-g-MAH/MXene復(fù)合材料。在MXene添加量?jī)H為1.9 vol%時(shí)，該復(fù)合材料在280-2500 nm的超寬波段范圍內(nèi)展現(xiàn)出高達(dá)93.2%的平均吸收率（光譜曲線近乎一條直線）；在中紅外大氣窗口（8-13μm）中的平均吸收率為84.2%（光譜曲線近乎一條直線）（圖5）。在正午太陽輻照度達(dá)到約900 W/m²時(shí)，溫度比環(huán)境溫度高出約50 ℃。其優(yōu)異的全天候熱/冷收集能力為輻射-熱-電轉(zhuǎn)換提供了良好的基礎(chǔ)。在夜間，該集成系統(tǒng)可持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的7.9 mW/m²電能以及最高約200 mV的電壓；而白天輸出功率隨著溫差的增大，峰值可達(dá)1.5 W/m²（圖6）。該系統(tǒng)在不需要額外能量輸入的情況下，展現(xiàn)出有效的電能輸出，具有良好的節(jié)能應(yīng)用前景。該研究以“A polymer nanocomposite with strong full-spectrum solar absorption and infrared emission for all-day thermal energy management and conversion”為題發(fā)表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2024, 11, 202308200）。

王建峰副教授和王萬杰教授為上述研究的通訊作者，研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、河南省優(yōu)秀青年基金、鄭州大學(xué)優(yōu)秀青年人才創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、河南省聯(lián)合基金優(yōu)勢(shì)學(xué)科培育項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。