科學(xué)發(fā)明：智能涂層實(shí)現(xiàn)“白天集熱、夜間制冷”

 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院教授裴剛、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室研究員鄒崇文聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的能量利用方法。他們開(kāi)發(fā)出一種光譜自適應(yīng)智能涂層，解決了光熱轉(zhuǎn)換和輻射制冷過(guò)程中的“光譜沖突”，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候從太陽(yáng)熱源和太空冷源中捕獲能量。

　　相關(guān)研究成果日前發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

　　從直面“光譜沖突”開(kāi)始

　　冷和熱是能源最重要的終端形式之一，全球每年約51%的能源以冷量或熱量的形式消耗。然而，目前這兩種能量的供給主要依賴傳統(tǒng)化石能源，無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步加劇環(huán)境問(wèn)題。

　　因此，依靠可再生能源實(shí)現(xiàn)制冷和供熱，對(duì)于全球節(jié)能和減少溫室氣體排放具有重大意義。

　　“相比地球環(huán)境，溫度約為6000K的太陽(yáng)和3K的太空是地球的終極熱源和冷源。”論文共同第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士后趙斌向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。

　　光熱轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射直接利用，獲得高溫?zé)崃?天空輻射制冷則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，從而獲得低溫冷量。

　　實(shí)際上，這兩種技術(shù)原理相同、裝置相似，如果將兩種物理過(guò)程集成于同一裝置，不僅能呈現(xiàn)夜間制冷和白天集熱的雙功能特點(diǎn)，還可大大提升裝置的時(shí)間利用率和能量收益。

　　“但光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷對(duì)涂層的光譜選擇性需求存在固有‘沖突’。前者要求涂層在整個(gè)中紅外波段具有低發(fā)射率，后者要求涂層在大氣窗口波段具有高發(fā)射率。”趙斌說(shuō)。

　　目前，常用的光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷技術(shù)通過(guò)不同的光譜選擇性涂層收集熱和冷，但大多數(shù)方法是靜態(tài)和單功能的，只能分別利用不同的固定涂層在白天提供加熱、夜晚提供冷卻。

　　而已報(bào)道的極少數(shù)光熱轉(zhuǎn)換—天空輻射制冷綜合利用也多基于靜態(tài)非選擇性涂層，雖然能實(shí)現(xiàn)雙功能耦合，但集熱和制冷性能大大低于單一的光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷技術(shù)。

　　如何解決“沖突”，在實(shí)現(xiàn)兩種裝置功能疊加耦合的同時(shí)又不影響各自性能，是裴剛團(tuán)隊(duì)一直在做的工作。

　　會(huì)“變身”的二氧化釩

　　此次研究中，裴剛團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出一種光譜自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制，即涂層光譜選擇性能可根據(jù)能量捕獲模式進(jìn)行“動(dòng)態(tài)調(diào)整”。

　　該團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了二氧化釩薄膜。鄒崇文介紹，“二氧化釩是一種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)過(guò)渡金屬氧化物，它具有特殊的金屬—絕緣體相變特性，相變溫度約為68℃。”

　　當(dāng)溫度低于68℃時(shí)，二氧化釩是一種不導(dǎo)電的絕緣體，能夠同時(shí)透過(guò)可見(jiàn)光和紅外線;當(dāng)溫度超過(guò)68℃時(shí)，二氧化釩會(huì)瞬間“變身”為低電阻導(dǎo)體，可以阻擋紅外線透過(guò)。

　　鄒崇文說(shuō)，利用二氧化釩這種溫致相變過(guò)程中的動(dòng)態(tài)紅外光譜特性，再結(jié)合多層膜的涂層設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的光譜智能涂層，解決光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷過(guò)程中的“光譜沖突”。

　　記者了解到，二氧化釩薄膜的相變特性與其質(zhì)量密切相關(guān)，因此高質(zhì)量的二氧化釩薄膜制備是智能涂層的關(guān)鍵。

　　“釩原子具有多化學(xué)價(jià)態(tài)，而我們需要的是具有完美化學(xué)計(jì)量比的+4價(jià)二氧化釩，在制備過(guò)程中首先要控制生長(zhǎng)過(guò)程中的原子比例。”鄒崇文說(shuō)，“原子比例多一點(diǎn)或少一點(diǎn)，對(duì)薄膜的相變特性影響都很大。”

　　此外，+4價(jià)的二氧化釩還有各種相結(jié)構(gòu)，而其中只有某種特定的單斜相結(jié)構(gòu)才具有這種相變特性。鄒崇文坦言，制備出純相結(jié)構(gòu)的二氧化釩薄膜仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　　經(jīng)過(guò)不懈努力，鄒崇文團(tuán)隊(duì)利用分子束外延和磁控濺射等手段成功研制了一種基于二氧化釩相變材料的光譜自適應(yīng)智能涂層。

　　可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域

　　研究發(fā)現(xiàn)，這種智能涂層在白天太陽(yáng)輻照下處于金屬態(tài)，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)輻照條件下則處于絕緣態(tài)，涂層在大氣窗口波段具有高發(fā)射率，在其余中紅外波段具有低發(fā)射率，表現(xiàn)為輻射制冷特性。

　　為探索光譜自適應(yīng)智能涂層在現(xiàn)實(shí)天氣條件下的性能，在烏魯木齊一個(gè)晴朗的秋日，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了戶外實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種涂層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，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候運(yùn)行，極大提升了冷熱能量捕獲的綜合效率。

　　“這項(xiàng)研究提出了一種非常新穎的從太陽(yáng)和太空捕獲可再生能源的方法，將引起人們新的研究興趣。”審稿人評(píng)述道。

　　“相關(guān)技術(shù)可以應(yīng)用于建筑節(jié)能、汽車溫控、光伏冷卻、深空探測(cè)等領(lǐng)域。”裴剛說(shuō)，下一步，他們將在材料規(guī)模化制備、冷熱量高效收集與傳輸、逆向冷熱調(diào)控等方向開(kāi)展研究