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南工大陳蘇/朱亮亮團隊《Chem. Soc. Rev.》封面論文：光熱調控策略的進展 - 從太陽能加熱到被動冷卻
2023-12-13  來源：高分子科技


  由于用于太陽能蒸發(fā)、光催化和光熱發(fā)電的太陽能加熱以及用于冷卻紡織品和智能建筑的被動冷卻領域的研究熱點迅速增長，有關太陽能吸收或排斥的光熱調節(jié)技術引起了人們的極大興趣。通過材料和系統(tǒng)設計進行光熱調節(jié)增強太陽能加熱/被動制冷的效率，提高整體太陽能利用效率。近期，南京工業(yè)大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授、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控策略，并討論該領域的最新進展，重點包括：（1）光熱調控的基本原理，包括太陽能加熱轉換和輻射冷卻機理、過程及其評價方法；（2）高效光熱調節(jié)的基本標準；（3）用于高效太陽能加熱轉換和被動冷卻的新興光熱調節(jié)材料和典型結構；（4）太陽能加熱/制冷一體化系統(tǒng)的設計策略；（5）光熱調控在清潔能源和環(huán)境領域的應用進展。最后，討論了光調制、光熱調控材料在結構設計、工藝優(yōu)化和光熱基礎設施建設等方面的面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢。 


題圖 光熱調節(jié)策略的進展:從高效太陽能加熱到日間被動冷卻


光熱調控的基本原理


  高效率是指材料選擇性吸收或傳輸所需光，并同時反射不同應用中不需要的光的能力，而實現(xiàn)太陽能高效率利用的關鍵在于對光譜的控制。通過將光熱轉換與光催化相結合，可以實現(xiàn)全光譜范圍太陽光的高效利用。此外，被動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，同時反射太陽光譜(0.3-2.5 mm)以減少能量輸入的機制。因此，作者立足于建立在不同光譜區(qū)域中用于太陽能加熱和被動冷卻的選擇性吸收器/發(fā)射器之間的整體關系，在綜述中總結了光熱轉換和調控的基本原理。 


圖 1 被動輻射冷卻原理圖


高效光熱調節(jié)的基本標準


  合理設計具有優(yōu)異光熱調控性能的材料需要建立若干基本準則，從該角度出發(fā)，作者在綜述中明確了光學和熱學性質對于設計理想的光熱轉換材料和結構的至關重要性。其中，光學特性包括吸收系數(shù)、反射率、透射率等參數(shù)。因此為了實現(xiàn)優(yōu)異的光熱調控，必須對材料的吸收光譜進行調控以吸收入射太陽光。此外，系統(tǒng)中的熱流，即對流、傳導和輻射，也是需要考慮的一個重要方面。 


圖 2 (a)分子振動和(b)聲子極化共振的紅外發(fā)射示意圖; (c)對于不同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


新興光熱調節(jié)材料與結構


  由于太陽能光熱轉換的快速發(fā)展，各種光熱調控材料已經(jīng)被開發(fā)出來，作者基于不同的光熱轉換機理，在綜述中匯總了各種光熱調控材料，包括金屬材料、半導體、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等各類光熱轉換材料也在光熱處理、海水淡化、發(fā)電等領域得到了廣泛的應用。另外，從被動輻射制冷角度，設計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烈發(fā)射功能，目前已報道的輻射制冷材料可分為四類：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控中的應用


太陽能加熱/制冷一體化系統(tǒng)


  雖然在太陽能熱轉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)報道的太陽能加熱或輻射冷卻系統(tǒng)是靜態(tài)的。因此材料的光學和熱學性能在設計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，高度動態(tài)的天氣需要智能熱管理來在制冷和供暖之間切換，以應對各種環(huán)境條件。基于此，作者立足智能光熱調控設計，詳細闡述了近年來在太陽能加熱/制冷一體化系統(tǒng)的研究進展，如多層材料、相變材料、各向異性材料等。 


圖 4 太陽能供熱/制冷系統(tǒng)設計的綜合策略


光熱調節(jié)的應用進展


  隨著光熱調控材料和系統(tǒng)設計的進步，太陽能的綜合利用得到了廣泛的關注，為能源的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好帶來了積極的影響。由于具有可調功能的加熱和冷卻材料和結構的集成取得了重大進展，提出了各種應用場景。在本綜述中，作者探討了光熱調節(jié)技術在太陽能加熱(如蒸發(fā)、催化、發(fā)電和執(zhí)行器)、被動冷卻(如冷卻建筑物和紡織品、冷凝水和增強能源產(chǎn)生)以及智能紡織品和建筑的加熱/冷卻調節(jié)等方面的潛在前景。 


圖 5 光熱調控在環(huán)境和能源領域的應用


  陳蘇教授團隊一直致力于微尺度下材料的精準設計、性能調控研究, 探索材料結構與功能間的映射關系，發(fā)展了一系列以微流控技術為代表的納微纖維新材料的設計與制備方法，如微流控紡絲技術、微流控靜電紡絲技術、微流控氣噴紡絲技術和微流控靜電3D打印技術。通過微流控技術與微流控芯片的集成及耦合，發(fā)展了獨特的紡絲化學方法，打破了傳統(tǒng)微流體紡絲純物理過程的局限性，引領了微流體紡絲技術的發(fā)展，為功能性微納纖維的宏量制備及過程調控研究提供了理論與技術支撐；谖⒘黧w紡絲技術，陳蘇教授團隊構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，相關研究成果發(fā)表在Nat. commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊上。


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


近兩年相關代表性成果：

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.


通訊作者簡介


朱亮亮，南京工業(yè)大學化工學院、化學材料化學工程國家重點實驗室教授，江蘇特聘教授。主持國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金，材料化學工程國家重點實驗室基金等項目。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：微納結構材料多維尺度下的設計、合成與構筑及其面向可持續(xù)能源的轉化和應用研究，具體包括光子晶體材料；碳基材料；無機-有機納米復合材料；微流控技術；太陽能光熱轉化；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)大學化工學院、化學材料化學工程國家重點實驗室，二級教授，博士生導師，國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家，江蘇省精細功能高分子材料高技術重點實驗室主任，江蘇省“青藍工程”學術帶頭人，江蘇省抗擊新冠肺炎疫情先進個人，江蘇省“微化工”高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊帶頭人，Elesvier中國高被引學者等。先后主持承擔國家自然科學基金重點項目和面上項目7項、國家重點研發(fā)計劃、國家“十一五”科技支撐計劃子課題、“863”重大重點項目子課題、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項目、江蘇省高校自然科學重大基礎研究項目、美國Celanese公司國際合作項目和國家人事部留學回國重點基金等項目。研究方向包括：微化工技術、微流體紡絲技術、微流控3D打印技術、功能纖維、量子點、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《前端聚合》、《微化工概論與典型實驗》專著2部；獲授權專利60余項，獲教育部自然科學二等獎、中國石油與化學工業(yè)協(xié)會技術發(fā)明二等獎等多項獎項。

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

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（責任編輯：xu）
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