太阳能光热调控的策略及最新进展
来源 | Chemical Society Reviews，高分子科学前沿
由于用于太阳能蒸发、光催化和光热发电的太阳能加热以及用于冷却纺织品和智能建筑的被动冷却领域的研究热点迅速增长，有关太阳能吸收或排斥的光热调节技术引起了人们的极大兴趣。通过材料和系统设计进行光热调节增强太阳能加热/被动制冷的效率，提高整体太阳能利用效率。近期，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、朱亮亮教授在《Chemical Society Reviews》期刊上发表题为“Advances in photothermal regulation strategies: from efficient solar heating to daytime passive cooling”的封面综述论文。
该综述全面概述光热调控策略，并讨论该领域的最新进展，重点包括：（1）光热调控的基本原理，包括太阳能加热转换和辐射冷却机理、过程及其评价方法；（2）高效光热调节的基本标准；（3）用于高效太阳能加热转换和被动冷却的新兴光热调节材料和典型结构；（4）太阳能加热/制冷一体化系统的设计策略；（5）光热调控在清洁能源和环境领域的应用进展。最后，讨论了光调制、光热调控材料在结构设计、工艺优化和光热基础设施建设等方面的面临的挑战和未来发展趋势。
题图 光热调节策略的进展：从高效太阳能加热到日间被动冷却
01
光热调控的基本原理
高效率是指材料选择性吸收或传输所需光，并同时反射不同应用中不需要的光的能力，而实现太阳能高效率利用的关键在于对光谱的控制。通过将光热转换与光催化相结合，可以实现全光谱范围太阳光的高效利用。此外，被动辐射冷却是一种可选择性地向较冷的外太空发射热辐射，同时反射太阳光谱(0.3-2.5 mm)以减少能量输入的机制。因此，作者立足于建立在不同光谱区域中用于太阳能加热和被动冷却的选择性吸收器/发射器之间的整体关系，在综述中总结了光热转换和调控的基本原理。
图1 被动辐射冷却原理图
02
高效光热调节的基本标准
合理设计具有优异光热调控性能的材料需要建立若干基本准则，从该角度出发，作者在综述中明确了光学和热学性质对于设计理想的光热转换材料和结构的至关重要性。其中，光学特性包括吸收系数、反射率、透射率等参数。因此为了实现优异的光热调控，必须对材料的吸收光谱进行调控以吸收入射太阳光。此外，系统中的热流，即对流、传导和辐射，也是需要考虑的一个重要方面。
图2 (a)分子振动和(b)声子极化共振的红外发射示意图; (c)对于不同k参数，折射率分布n (z)作为深度的函数; (d)三角形渐变折射率图。
03
新兴光热调节材料与结构
由于太阳能光热转换的快速发展，各种光热调控材料已经被开发出来，作者基于不同的光热转换机理，在综述中汇总了各种光热调控材料，包括金属材料、半导体、碳基材料、新兴的碳化物/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等各类光热转换材料也在光热处理、海水淡化、发电等领域得到了广泛的应用。另外，从被动辐射制冷角度，设计材料不仅要反射大部分的入射光，还要在大气窗口中具有强烈发射功能，目前已报道的辐射制冷材料可分为四类：多孔/颗粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和纳米纤维薄膜。
图3 纳米纤维膜在光热调控中的应用。
04
太阳能加热/制冷一体化系统
虽然在太阳能热转换和日间辐射冷却方面已经做了大量的研究工作，但大多数报道的太阳能加热或辐射冷却系统是静态的。因此材料的光学和热学性能在设计完成后是固定不变的，只能在一定的气候条件下满足要求。然而，高度动态的天气需要智能热管理来在制冷和供暖之间切换，以应对各种环境条件。基于此，作者立足智能光热调控设计，详细阐述了近年来在太阳能加热/制冷一体化系统的研究进展，如多层材料、相变材料、各向异性材料等。
图4 太阳能供热/制冷系统设计的综合策略。
05
光热调节的应用进展
随着光热调控材料和系统设计的进步，太阳能的综合利用得到了广泛的关注，为能源的可持续发展和环境友好带来了积极的影响。由于具有可调功能的加热和冷却材料和结构的集成取得了重大进展，提出了各种应用场景。在本综述中，作者探讨了光热调节技术在太阳能加热(如蒸发、催化、发电和执行器)、被动冷却(如冷却建筑物和纺织品、冷凝水和增强能源产生)以及智能纺织品和建筑的加热/冷却调节等方面的潜在前景。
图5 光热调控在环境和能源领域的应用。
06
作者信息
陈苏教授团队一直致力于微尺度下材料的精准设计、性能调控研究, 探索材料结构与功能间的映射关系，发展了一系列以微流控技术为代表的纳微纤维新材料的设计与制备方法，如微流控纺丝技术、微流控静电纺丝技术、微流控气喷纺丝技术和微流控静电3D打印技术。通过微流控技术与微流控芯片的集成及耦合，发展了独特的纺丝化学方法，打破了传统微流体纺丝纯物理过程的局限性，引领了微流体纺丝技术的发展，为功能性微纳纤维的宏量制备及过程调控研究提供了理论与技术支撑。基于微流体纺丝技术，陈苏教授团队构筑了一系列高性能光热材料、生物医用材料及功能性纳米纤维织物，相关研究成果发表在Nat. commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊上。
近两年相关代表性成果：
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.
图6 设备图例：微流控、气喷、静电、3D打印直写四合一成套设备。
（南京贝耳时代科技有限公司与南京捷纳思新材料有限公司联合研制）
朱亮亮，南京工业大学化工学院、化学材料化学工程国家重点实验室教授，江苏特聘教授。主持国家自然科学基金，江苏省自然科学基金，材料化学工程国家重点实验室基金等项目。以第一/通讯作者在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等国际期刊发表SCI论文50余篇，其中6篇被Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等选为封面论文，引用5700余次，ESI高被引论文7篇。主要研究方向：微纳结构材料多维尺度下的设计、合成与构筑及其面向可持续能源的转化和应用研究，具体包括光子晶体材料；碳基材料；无机-有机纳米复合材料；微流控技术；太阳能光热转化；光热蒸发；光热催化等。
陈苏，南京工业大学化工学院、化学材料化学工程国家重点实验室，二级教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，江苏省精细功能高分子材料高技术重点实验室主任，江苏省“青蓝工程”学术带头人，江苏省抗击新冠肺炎疫情先进个人，江苏省“微化工”高校优秀科技创新团队带头人，连续七年被评为Elesvier中国高被引学者等。先后主持承担国家自然科学基金重点项目和面上项目7项、国家重点研发计划、国家“十一五”科技支撑计划子课题、“863”重大重点项目子课题、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目、江苏省高校自然科学重大基础研究项目、美国Celanese公司国际合作项目和国家人事部留学回国重点基金等项目。研究方向包括：微化工技术、微流体纺丝技术、微流控3D打印技术、功能纤维、量子点、光子晶体、水凝胶材料等。以第一作者或通讯联系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.发表SCI论文300余篇。撰写《前端聚合》、《微化工概论与典型实验》专著2部；获授权专利60余项，获教育部自然科学二等奖、中国石油与化学工业协会技术发明二等奖等多项奖项。
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