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

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院太陽能光熱綜合利用安徽省重點實驗室裴剛教授，與該校核科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄒崇文研究員聯(lián)合研究團隊，提出了一種全新的能量利用方法，讓“科幻”照進了現(xiàn)實。研究人員分別以太陽(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，實現(xiàn)24小時全天候持續(xù)的冷熱能量捕獲和利用。這項研究成果日前發(fā)表在國際著名期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

神奇涂層讓新材料“冷熱同體”

人類社會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，一般是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直接發(fā)射至低溫太空，獲得低溫冷量，實現(xiàn)對深空低溫的超遠距直接利用。

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?

面對這一具有挑戰(zhàn)性的課題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團隊在前期工作積累的基礎(chǔ)上，發(fā)起了新的探索。裴剛教授團隊一直致力于太陽能和天空輻射制冷領(lǐng)域的研究。鄒崇文研究員團隊長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、激光防護和非制冷紅外探測器等方面的器件應(yīng)用研究方面造詣頗深。

兩支科研團隊聯(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)控機制對太陽熱源和太空冷源進行時間解耦，突破目前對太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。

為了達到這一目標(biāo)，研究團隊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。

實測結(jié)果表明，使用了多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層的實驗器件，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小時全天候運行，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，并分別強化其性能，在同一個材料上實現(xiàn)‘冷熱同體’，優(yōu)化了空間和成本。”裴剛說，這項研究一方面發(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)，實現(xiàn)了涂層多截止波長下的光譜選擇性;另一個方面，研究團深耕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，實現(xiàn)了太陽輻照條件下的被動制冷效果。

助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來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。

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

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小時全天候運行。這項技術(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，對實現(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。(科技日報記者 吳長鋒)