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南工大陳蘇/朱亮亮團(tuán)隊(duì)《Chem. Soc. Rev.》封面論文：光熱調(diào)控策略的進(jìn)展 - 從太陽(yáng)能加熱到被動(dòng)冷卻

2023-12-13 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：光熱調(diào)控太陽(yáng)能加熱被動(dòng)冷卻

由于用于太陽(yáng)能蒸發(fā)、光催化和光熱發(fā)電的太陽(yáng)能加熱以及用于冷卻紡織品和智能建筑的被動(dòng)冷卻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)迅速增長(zhǎng)，有關(guān)太陽(yáng)能吸收或排斥的光熱調(diào)節(jié)技術(shù)引起了人們的極大興趣。通過(guò)材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行光熱調(diào)節(jié)增強(qiáng)太陽(yáng)能加熱/被動(dòng)制冷的效率，提高整體太陽(yáng)能利用效率。近期，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授、朱亮亮教授在《Chemical Society Reviews》期刊上發(fā)表題為“Advances in photothermal regulation strategies: from efficient solar heating to daytime passive cooling”的封面綜述論文。

該綜述全面概述光熱調(diào)控策略，并討論該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，重點(diǎn)包括：（1）光熱調(diào)控的基本原理，包括太陽(yáng)能加熱轉(zhuǎn)換和輻射冷卻機(jī)理、過(guò)程及其評(píng)價(jià)方法；（2）高效光熱調(diào)節(jié)的基本標(biāo)準(zhǔn)；（3）用于高效太陽(yáng)能加熱轉(zhuǎn)換和被動(dòng)冷卻的新興光熱調(diào)節(jié)材料和典型結(jié)構(gòu)；（4）太陽(yáng)能加熱/制冷一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略；（5）光熱調(diào)控在清潔能源和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。最后，討論了光調(diào)制、光熱調(diào)控材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和光熱基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

題圖光熱調(diào)節(jié)策略的進(jìn)展:從高效太陽(yáng)能加熱到日間被動(dòng)冷卻

光熱調(diào)控的基本原理

高效率是指材料選擇性吸收或傳輸所需光，并同時(shí)反射不同應(yīng)用中不需要的光的能力，而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效率利用的關(guān)鍵在于對(duì)光譜的控制。通過(guò)將光熱轉(zhuǎn)換與光催化相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全光譜范圍太陽(yáng)光的高效利用。此外，被動(dòng)輻射冷卻是一種可選擇性地向較冷的外太空發(fā)射熱輻射，同時(shí)反射太陽(yáng)光譜(0.3-2.5 mm)以減少能量輸入的機(jī)制。因此，作者立足于建立在不同光譜區(qū)域中用于太陽(yáng)能加熱和被動(dòng)冷卻的選擇性吸收器/發(fā)射器之間的整體關(guān)系，在綜述中總結(jié)了光熱轉(zhuǎn)換和調(diào)控的基本原理。

圖 1 被動(dòng)輻射冷卻原理圖

高效光熱調(diào)節(jié)的基本標(biāo)準(zhǔn)

合理設(shè)計(jì)具有優(yōu)異光熱調(diào)控性能的材料需要建立若干基本準(zhǔn)則，從該角度出發(fā)，作者在綜述中明確了光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)對(duì)于設(shè)計(jì)理想的光熱轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)的至關(guān)重要性。其中，光學(xué)特性包括吸收系數(shù)、反射率、透射率等參數(shù)。因此為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光熱調(diào)控，必須對(duì)材料的吸收光譜進(jìn)行調(diào)控以吸收入射太陽(yáng)光。此外，系統(tǒng)中的熱流，即對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射，也是需要考慮的一個(gè)重要方面。

圖 2 (a)分子振動(dòng)和(b)聲子極化共振的紅外發(fā)射示意圖; (c)對(duì)于不同k參數(shù)，折射率分布n (z)作為深度的函數(shù); (d)三角形漸變折射率圖

新興光熱調(diào)節(jié)材料與結(jié)構(gòu)

由于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的快速發(fā)展，各種光熱調(diào)控材料已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，作者基于不同的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理，在綜述中匯總了各種光熱調(diào)控材料，包括金屬材料、半導(dǎo)體、碳基材料、新興的碳化物/氮化物和聚合物。除上述材料外，超分子材料(卟啉)、陶瓷材料(TiN和ZrO₂)、 MOFs等各類(lèi)光熱轉(zhuǎn)換材料也在光熱處理、海水淡化、發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。另外，從被動(dòng)輻射制冷角度，設(shè)計(jì)材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強(qiáng)烈發(fā)射功能，目前已報(bào)道的輻射制冷材料可分為四類(lèi)：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。

圖 3 納米纖維膜在光熱調(diào)控中的應(yīng)用

太陽(yáng)能加熱/制冷一體化系統(tǒng)

雖然在太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換和日間輻射冷卻方面已經(jīng)做了大量的研究工作，但大多數(shù)報(bào)道的太陽(yáng)能加熱或輻射冷卻系統(tǒng)是靜態(tài)的。因此材料的光學(xué)和熱學(xué)性能在設(shè)計(jì)完成后是固定不變的，只能在一定的氣候條件下滿足要求。然而，高度動(dòng)態(tài)的天氣需要智能熱管理來(lái)在制冷和供暖之間切換，以應(yīng)對(duì)各種環(huán)境條件。基于此，作者立足智能光熱調(diào)控設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了近年來(lái)在太陽(yáng)能加熱/制冷一體化系統(tǒng)的研究進(jìn)展，如多層材料、相變材料、各向異性材料等。

圖 4 太陽(yáng)能供熱/制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合策略

光熱調(diào)節(jié)的應(yīng)用進(jìn)展

隨著光熱調(diào)控材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，太陽(yáng)能的綜合利用得到了廣泛的關(guān)注，為能源的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好帶來(lái)了積極的影響。由于具有可調(diào)功能的加熱和冷卻材料和結(jié)構(gòu)的集成取得了重大進(jìn)展，提出了各種應(yīng)用場(chǎng)景。在本綜述中，作者探討了光熱調(diào)節(jié)技術(shù)在太陽(yáng)能加熱(如蒸發(fā)、催化、發(fā)電和執(zhí)行器)、被動(dòng)冷卻(如冷卻建筑物和紡織品、冷凝水和增強(qiáng)能源產(chǎn)生)以及智能紡織品和建筑的加熱/冷卻調(diào)節(jié)等方面的潛在前景。

圖 5 光熱調(diào)控在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用

陳蘇教授團(tuán)隊(duì)一直致力于微尺度下材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控研究, 探索材料結(jié)構(gòu)與功能間的映射關(guān)系，發(fā)展了一系列以微流控技術(shù)為代表的納微纖維新材料的設(shè)計(jì)與制備方法，如微流控紡絲技術(shù)、微流控靜電紡絲技術(shù)、微流控氣噴紡絲技術(shù)和微流控靜電3D打印技術(shù)。通過(guò)微流控技術(shù)與微流控芯片的集成及耦合，發(fā)展了獨(dú)特的紡絲化學(xué)方法，打破了傳統(tǒng)微流體紡絲純物理過(guò)程的局限性，引領(lǐng)了微流體紡絲技術(shù)的發(fā)展，為功能性微納纖維的宏量制備及過(guò)程調(diào)控研究提供了理論與技術(shù)支撐。基于微流體紡絲技術(shù)，陳蘇教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了一系列高性能光熱材料、生物醫(yī)用材料及功能性納米纖維織物，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nat. commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際期刊上。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cs/d3cs00500c

近兩年相關(guān)代表性成果：

1、S. Chen et al. Adv. Mater. 2023, 2302326

2、S. Chen et al. Acc. Mater. Res. 2023, 4, 5, 403-415.

3、S. Chen et al. Adv. Sci. 2022, 9, 2201254

4、S. Chen et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202208592.

5、S. Chen et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204371.

6、S. Chen et al. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110393.

7、S. Chen et al. Prog. Polym. Sci. 2022, 127, 101514.

8、S. Chen et al. Small 2023, 2301310.

9、S. Chen et al. Chem. Eng. J. 2023, 453, 139763.

10、S. Chen et al. Chem. Eng. J. 2023, 467, 143389.

通訊作者簡(jiǎn)介

朱亮亮，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、化學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，江蘇特聘教授。主持國(guó)家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金，材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金等項(xiàng)目。以第一/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Prog. Polym. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Acc. Mater. Res.、Chem. Eng. J.、Adv. Sci.、Nano Energy、Mater. Horiz.、Small等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文50余篇，其中6篇被Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等選為封面論文，引用5700余次，ESI高被引論文7篇。主要研究方向：微納結(jié)構(gòu)材料多維尺度下的設(shè)計(jì)、合成與構(gòu)筑及其面向可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用研究，具體包括光子晶體材料；碳基材料；無(wú)機(jī)-有機(jī)納米復(fù)合材料；微流控技術(shù)；太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化；光熱蒸發(fā)；光熱催化等。

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9090-5318

陳蘇，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、化學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，江蘇省精細(xì)功能高分子材料高技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，江蘇省“青藍(lán)工程”學(xué)術(shù)帶頭人，江蘇省抗擊新冠肺炎疫情先進(jìn)個(gè)人，江蘇省“微化工”高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，Elesvier中國(guó)高被引學(xué)者等。先后主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目7項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃子課題、“863”重大重點(diǎn)項(xiàng)目子課題、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目、江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、美國(guó)Celanese公司國(guó)際合作項(xiàng)目和國(guó)家人事部留學(xué)回國(guó)重點(diǎn)基金等項(xiàng)目。研究方向包括：微化工技術(shù)、微流體紡絲技術(shù)、微流控3D打印技術(shù)、功能纖維、量子點(diǎn)、光子晶體、水凝膠材料等。以第一作者或通訊聯(lián)系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.發(fā)表SCI論文300余篇。撰寫(xiě)《前端聚合》、《微化工概論與典型實(shí)驗(yàn)》專(zhuān)著2部；獲授權(quán)專(zhuān)利60余項(xiàng)，獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3799-469X

課題組網(wǎng)頁(yè)：https://www.x-mol.com/groups/su_chen

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（責(zé)任編輯：xu）

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