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  太陽能光熱利用因其低成本、易儲能、理論效率高等優點，成為當前科學研究和商業化的熱點技術。太陽能光熱轉換中的重要一步是將太陽光高效地轉換為高溫熱能。目前，研究者主要通過提高光學系統聚光比，設計高效太陽能光熱吸收板并配合真空管來達到這一目的。但是精密的控制機制、復雜的加工工藝、嚴苛的氣密性要求等因素制約了其進一步的大規模應用。因此，如何在無需高聚光比、特殊吸收板和真空的條件下實現高溫、高效的太陽能光熱轉換成為了一個亟待解決的難點。

  近日，陳剛教授和Evelyn Wang教授團隊共同研發了一種新型高透光、低導熱的二氧化硅氣凝膠，大幅提高了無聚光、非真空條件下的光熱轉換溫度和效率。基于傳統的溶膠-凝膠合成工藝，通過優化孔隙和粒徑大小，這種新型氣凝膠透光率達到95%以上，肉眼甚至難以察覺該氣凝膠的存在。同時，這種新型氣凝膠繼承了傳統非透明氣凝膠的高孔隙率，低密度和低熱導率的特點。由于其特殊的光學和熱學性質，這種新型氣凝膠可以大幅降低傳統光熱轉換系統的熱損失，并提高系統的工作溫度（圖1）。

圖1. 通過提升透光率和降低熱損失，新型高透光隔熱氣凝膠大幅提高光熱轉換的溫度和效率。

  經過長期的探索，由陳剛教授和Evelyn Wang教授帶領的團隊研發了一種快速水解沉淀（Rapid-hydrolysis-condensation）制備二氧化硅氣凝膠的方法。該方法可以精細調控氣凝膠孔隙和粒徑大小。由于傳統氣凝膠中較大的孔徑和粒徑（~20 nm）會嚴重地散射可見光，尤其是波長較短的藍色光，傳統氣凝膠會呈現出淡藍色的半透明狀（透光率~70%）。經過系統性地制備參數優化，該團隊大幅度縮小了二氧化硅氣凝膠的孔徑和粒徑（~6 nm）并成功實現了大面積、單片、高透光氣凝膠的制備（圖2）。這種新型氣凝膠同時具有低密度（100-200kg/m³）、低熱導率（0.02-0.1 W/mK）和耐高溫（700 °C ）等特點。

圖2. 高透光氣凝膠樣品與玻璃載玻片透明度對比，(a) 光學照片，(b) 紫外-可見光-近紅外光譜

  利用這種新型氣凝膠，該團隊實現了自然太陽光（非聚光）、無真空條件下獲得265 °C（室內）和220 °C（冬季室外，圖3）高溫的試驗結果。這一成果開辟了一條太陽能光熱利用的新思路。例如，傳統非聚光太陽能集熱器被大量應用于家用熱水器。通過加入這種新型氣凝膠，這些低成本太陽能集熱器不再受限于提供熱水（~80 °C），而是可以提供價值更高的工業用熱、冬季取暖用熱等等。通過進一步優化和規模化生產，這種新型氣凝膠的生產成本有望大幅降低，使其擁有更加廣闊的應用前景。

圖3. (a) 氣凝膠太陽能光熱收集裝置戶外試驗照片（地點：麻省理工學院樓頂平臺），(b) 試驗過程中太陽能吸收板溫度，環境溫度和太陽輻射強度數據

  以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200 °C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”為題發表在ACS Nano。論文的第一作者為麻省理工學院博士生趙霖，共同通訊作者為麻省理工學院的陳剛教授和Evelyn Wang教授。關于這種新型氣凝膠的制備、理論計算和其他應用的相關文獻已發表于Joule, Optics Express, Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。

文章鏈接

Harnessing Heat Beyond 200 °C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02976

A Hybrid Electric and Thermal Solar Receiver

https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.009

Theoretical and experimental investigation of haze in transparent aerogels

https://doi.org/10.1364/OE.27.000A39

High temperature annealing for structural optimization of silica aerogels in solar thermal applications

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.02.009