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太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱(re)利(li)用因(yin)其低成(cheng)本、易儲能(neng)、理論(lun)效(xiao)率(lv)高(gao)等優(you)點，成(cheng)為(wei)當(dang)前(qian)科學(xue)研(yan)究(jiu)和(he)商業(ye)化的(de)熱(re)點技術。太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱(re)轉換中的(de)重要一步是(shi)將太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)高(gao)效(xiao)地轉換為(wei)高(gao)溫熱(re)能(neng)。目(mu)前(qian)，研(yan)究(jiu)者主(zhu)要通過提高(gao)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)聚光(guang)(guang)比(bi)，設計高(gao)效(xiao)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱(re)吸收板并配合真空管來達到這一目(mu)的(de)。

但(dan)是精密(mi)的(de)控(kong)制機制、復(fu)雜的(de)加工(gong)工(gong)藝、嚴苛的(de)氣密(mi)性要求等(deng)因素制約了其進一步(bu)的(de)大規模應用。因此，如何(he)在無需高聚光比、特殊吸(xi)收(shou)板和真空的(de)條件下實現(xian)高溫(wen)、高效的(de)太(tai)陽能光熱轉(zhuan)換成為了一個亟待解決的(de)難點。

陳剛(gang)教授和(he)Evelyn Wang教授團隊共(gong)同研發了(le)一種新型高(gao)(gao)透光(guang)、低(di)導熱的(de)二氧化硅氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)，大幅(fu)提(ti)高(gao)(gao)了(le)無聚光(guang)、非真空(kong)條(tiao)件下的(de)光(guang)熱轉(zhuan)換(huan)溫度和(he)效率(lv)(lv)。基于傳(chuan)統的(de)溶膠(jiao)(jiao)-凝膠(jiao)(jiao)合成工藝(yi)，通過(guo)優化孔隙和(he)粒徑大小，這種新型氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)透光(guang)率(lv)(lv)達到95%以上，肉眼甚至難以察覺該氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)的(de)存(cun)在(zai)。

同時，這種新型(xing)氣凝(ning)膠(jiao)繼(ji)承了傳(chuan)統(tong)非(fei)透明氣凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)高孔隙率，低密度(du)和低熱(re)導率的(de)(de)特(te)點。由(you)于其特(te)殊的(de)(de)光學(xue)和熱(re)學(xue)性質，這種新型(xing)氣凝(ning)膠(jiao)可(ke)以大幅降(jiang)低傳(chuan)統(tong)光熱(re)轉換(huan)系統(tong)的(de)(de)熱(re)損失，并提高系統(tong)的(de)(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)（圖1）。

圖1：通過提升透光(guang)率和降(jiang)低熱(re)損失，新(xin)型高透光(guang)隔熱(re)氣(qi)凝膠大幅提高光(guang)熱(re)轉換的溫(wen)度和效率。

經(jing)過長(chang)期的(de)探(tan)索，由陳剛教授(shou)和Evelyn Wang教授(shou)帶領的(de)團隊研(yan)發了一種快速水解沉淀（Rapid-hydrolysis-condensation）制(zhi)備二氧化(hua)(hua)硅氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)的(de)方法。該方法可以精細調控氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)孔隙和粒徑大小(xiao)。由于傳統氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)中較大的(de)孔徑和粒徑（~20nm）會(hui)嚴重地散射可見光，尤(you)其是波長(chang)較短的(de)藍(lan)色(se)光，傳統氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)會(hui)呈現出淡藍(lan)色(se)的(de)半透(tou)明狀（透(tou)光率~70%）。經(jing)過系(xi)統性地制(zhi)備參數(shu)優化(hua)(hua)，該團隊大幅度縮小(xiao)了二氧化(hua)(hua)硅氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)的(de)孔徑和粒徑（~6nm）并成功實現了大面(mian)積(ji)、單(dan)片(pian)、高(gao)透(tou)光氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)的(de)制(zhi)備（圖2）。這種新(xin)型氣凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)同時具有低(di)密度（100-200kg/m3）、低(di)熱導率（0.02-0.1W/mK）和耐高(gao)溫(wen)（700°C）等特點。

圖2：高透光(guang)(guang)氣凝膠樣品與玻(bo)璃載玻(bo)片透明度(du)對(dui)比，(a)光(guang)(guang)學(xue)照片，(b)紫外(wai)-可見光(guang)(guang)-近(jin)紅外(wai)光(guang)(guang)譜

利用(yong)(yong)這(zhe)種(zhong)新型氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)，該團隊實現了(le)自然(ran)太陽(yang)光(guang)(guang)（非聚(ju)光(guang)(guang)）、無(wu)真(zhen)空(kong)條(tiao)件下獲得265°C（室內(nei)）和220°C（冬季(ji)室外，圖3）高溫的(de)(de)試(shi)驗結果。這(zhe)一成(cheng)果開辟(pi)了(le)一條(tiao)太陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱(re)(re)利用(yong)(yong)的(de)(de)新思(si)路。例如，傳統非聚(ju)光(guang)(guang)太陽(yang)能(neng)集熱(re)(re)器被大(da)量(liang)應(ying)用(yong)(yong)于(yu)家用(yong)(yong)熱(re)(re)水器。通(tong)過(guo)加(jia)入(ru)這(zhe)種(zhong)新型氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)，這(zhe)些(xie)低成(cheng)本(ben)太陽(yang)能(neng)集熱(re)(re)器不(bu)再受限于(yu)提供(gong)熱(re)(re)水（~80°C），而是可以提供(gong)價值更高的(de)(de)工業用(yong)(yong)熱(re)(re)、冬季(ji)取暖(nuan)用(yong)(yong)熱(re)(re)等(deng)等(deng)。通(tong)過(guo)進一步優化(hua)(hua)和規模化(hua)(hua)生(sheng)產(chan)，這(zhe)種(zhong)新型氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)的(de)(de)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)有(you)望(wang)大(da)幅(fu)降(jiang)低，使其(qi)擁(yong)有(you)更加(jia)廣闊的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)前景(jing)。

圖(tu)3：(a)氣凝(ning)膠太(tai)陽(yang)能光熱收集裝置戶外(wai)試(shi)驗照片（地點：麻省理(li)工學院(yuan)樓頂平臺），(b)試(shi)驗過程中(zhong)太(tai)陽(yang)能吸收板溫(wen)度(du)，環(huan)境溫(wen)度(du)和(he)太(tai)陽(yang)輻(fu)射強度(du)數據(ju)

以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200°C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”為(wei)題(ti)發(fa)表在ACS Nano。論文(wen)的(de)第一(yi)作(zuo)者(zhe)為(wei)麻(ma)省理工學院(yuan)博士生趙(zhao)霖，共同(tong)通訊(xun)作(zuo)者(zhe)為(wei)麻(ma)省理工學院(yuan)的(de)陳(chen)剛教(jiao)(jiao)授和(he)Evelyn Wang教(jiao)(jiao)授。關(guan)于這種新(xin)型氣凝膠的(de)制備、理論計算和(he)其他應用(yong)的(de)相關(guan)文(wen)獻已(yi)發(fa)表于Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。