近日，中國(guó)科大工程學(xué)院/太陽(yáng)能光熱綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裴剛教授和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室/核科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄒崇文研究員聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的能量利用方法，該方法分別以太陽(yáng)（約6000K）和太空（約3K）為熱源和冷源，巧妙利用光譜自適應(yīng)智能涂層來(lái)解決光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程和輻射制冷過(guò)程的光譜沖突，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的冷熱能量捕獲和利用。相關(guān)研究成果以“Self-adaptive integration of photothermal and radiative cooling for continuous energy harvesting from the sun and outer space”為題，于2022年4月19日發(fā)表在國(guó)際著名期刊“Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）”。

人類社會(huì)使用的絕大部分能源均來(lái)自于太陽(yáng)輻射，能源做功利用之后的余熱則可以通過(guò)中紅外熱輻射散失到低溫太空中去。從熱力學(xué)的角度來(lái)看，太陽(yáng)和太空是地球能量循環(huán)的終極熱源和終極冷源。光熱轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射直接利用，獲得高溫?zé)崮?；而天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過(guò)大氣窗口（8-13μm）直接發(fā)射至低溫太空，獲得低溫冷量，實(shí)現(xiàn)對(duì)深空低溫的超遠(yuǎn)距直接利用。然而，目前的光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷都依賴于靜態(tài)的光譜選擇性涂層，但兩種過(guò)程存在紅外光譜沖突，目前技術(shù)都是對(duì)單一目標(biāo)、單一功能的利用?；诖?，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出利用光譜自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制對(duì)太陽(yáng)熱源和太空冷源進(jìn)行時(shí)間解耦，突破目前對(duì)太陽(yáng)熱源和太空冷源的單一利用方式。

該工作中，研究團(tuán)隊(duì)研制了一種基于二氧化釩(VO2)相變材料的多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層，該涂層在白天太陽(yáng)輻照下處于金屬態(tài)，整體涂層太陽(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，處于絕緣態(tài)，涂層在大氣窗口波段具有高的發(fā)射率，在其余中紅外波段具有低的發(fā)射率，表現(xiàn)為輻射制冷特性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該器件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。器件可以24小時(shí)全天候運(yùn)行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。這一研究結(jié)果為基于太陽(yáng)熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑。

裴剛教授團(tuán)隊(duì)一直致力于太陽(yáng)能和天空輻射制冷領(lǐng)域的研究，一方面發(fā)展了太陽(yáng)能與天空輻射制冷綜合利用理論并提出了多種綜合利用過(guò)程的光譜耦合原則，引入光學(xué)薄膜和光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了涂層多截止波長(zhǎng)下的光譜選擇性；另一個(gè)方面深耕于日間天空輻射制冷技術(shù)，通過(guò)高性能光譜選擇性涂層的開(kāi)發(fā)、低熱損系統(tǒng)研制以及輻射傳輸路徑優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)輻照條件下的被動(dòng)制冷效果。上述技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、光伏冷卻、熱電轉(zhuǎn)換以及深空探索等領(lǐng)域。鄒崇文研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事二氧化釩相變薄膜的制備、相變調(diào)控研究以及在紅外/太赫茲器件、智能涂層、激光防護(hù)和非制冷紅外探測(cè)器等方面的器件應(yīng)用。

論文的第一作者為工程學(xué)院的敖顯澤、趙斌和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的李博文，通訊作者為裴剛教授和鄒崇文研究員。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金以及多能互補(bǔ)能源轉(zhuǎn)化研究中心等項(xiàng)目和機(jī)構(gòu)的支持。相關(guān)測(cè)試工作也得到了中國(guó)科大微納中心以及同步輻射國(guó)家實(shí)驗(yàn)室軟X射線磁性圓二色實(shí)驗(yàn)站(BL12B)和紅外譜學(xué)和顯微成像實(shí)驗(yàn)站(BL01B)的大力支持。（來(lái)源：中國(guó)科大）