傳統(tǒng)的采暖和制冷方式占據(jù)了社會總能耗的50%以上，導致了大氣污染和溫室效應等一系列環(huán)境問題。因此，如何有效利用可再生清潔能源進行加熱和制冷，并將熱能和冷能進一步轉(zhuǎn)化為其他可利用的能源，已引起越來越廣泛的關注。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，其波長覆蓋了280-2500 nm，能夠穿透大氣層到達地球表面。而地表物體發(fā)射的熱輻射波長大約在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，有助于進一步提升太陽能和紅外輻射的利用效率，實現(xiàn)全天候的輻射熱管理。
圖1. 全天不間斷輻射-熱-電轉(zhuǎn)換設備工作原理示意圖。
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)換裝備及應用。
基于上述研究，實現(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、簡單的方式制備寬光譜高吸收/發(fā)射高分子復合材料，仍是亟待解決的核心問題，對實現(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。
該團隊通過簡單的熔融共混方法，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復合材料。在MXene添加量僅為1.9 vol%時，該復合材料在280-2500 nm的超寬波段范圍內(nèi)展現(xiàn)出高達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到約900 W/m2時，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。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）。
圖4. 太陽/紅外寬光譜高吸收PP/PP-g-MAH/MXene復合材料工作原理和光譜設計原理示意圖。
圖5.復合材料制備、形貌及太陽-紅外光譜曲線。
圖6.復合材料的全天候輻射-熱-電轉(zhuǎn)換電能輸出。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S246860692400279X
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202308200
