傳統的采暖和制冷方式占據了社會總能耗的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。在同一區域內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，實現全天候的輻射熱管理。
圖1. 全天不間斷輻射-熱-電轉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-電轉換性能。
圖3. 大面積制備的輻射-熱-電轉換裝備及應用。
基于上述研究，實現全天候高效輻射熱管理及不間斷輻射-熱-電轉換的關鍵在于開發具有寬光譜太陽高吸收和紅外高發射特性的高分子材料（圖4）。如何以綠色環保、簡單的方式制備寬光譜高吸收/發射高分子復合材料，仍是亟待解決的核心問題，對實現全天候不間斷的輻射熱/冷收集與能量轉化具有重要意義。
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的超寬波段范圍內展現出高達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，溫度比環境溫度高出約50 ℃。其優異的全天候熱/冷收集能力為輻射-熱-電轉換提供了良好的基礎。在夜間，該集成系統可持續產生穩定的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）。該系統在不需要額外能量輸入的情況下，展現出有效的電能輸出，具有良好的節能應用前景。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
