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如何更高效地獲取和使用可再生能源？這次，科學家把目光投向了太陽和深空。

近(jin)日，中(zhong)國(guo)科學(xue)技術(shu)大學(xue)工程科學(xue)學(xue)院(yuan)教授裴剛、國(guo)家同步輻(fu)射(she)實驗室研(yan)究員鄒崇文聯合(he)研(yan)究團隊提出一(yi)種(zhong)全新的(de)能(neng)量(liang)利用方(fang)法(fa)。他們(men)開發出一(yi)種(zhong)光(guang)譜自適應智能(neng)涂層，解決了光(guang)熱(re)轉換和(he)輻(fu)射(she)制冷過程中(zhong)的(de)“光(guang)譜沖突”，實現24小時(shi)全天候(hou)從(cong)太陽熱(re)源和(he)太空(kong)冷源中(zhong)捕(bu)獲能(neng)量(liang)。

相關研究(jiu)成果日前發表于美國《國家科學院院刊(kan)》。

從直面“光譜沖突”開始

冷和熱是能(neng)源(yuan)最重要的終端形式(shi)之一，全球(qiu)每(mei)年約51%的能(neng)源(yuan)以冷量或熱量的形式(shi)消耗(hao)。然而(er)，目(mu)前這兩種能(neng)量的供給主要依賴傳統化(hua)石能(neng)源(yuan)，無疑(yi)會進一步加劇(ju)環境問題。

因此，依靠可再生能源實現(xian)制冷和(he)供熱(re)，對于全球節能和(he)減少溫室氣體(ti)排(pai)放具有重大意義。

“相比地球(qiu)環境(jing)，溫度約為6000K的(de)太陽和3K的(de)太空(kong)是地球(qiu)的(de)終(zhong)極熱源(yuan)(yuan)和冷源(yuan)(yuan)。”論文共同(tong)第一作者、中國科學(xue)技(ji)術大學(xue)工程科學(xue)學(xue)院博士后趙斌向(xiang)《中國科學(xue)報》介紹。

光(guang)熱轉換通(tong)過對太陽(yang)輻(fu)射直接(jie)利用，獲(huo)得(de)高溫熱量(liang)；天空輻(fu)射制冷則可以將地表(biao)能量(liang)以紅(hong)外輻(fu)射形(xing)式通(tong)過大氣窗口直接(jie)發(fa)射至低溫太空，從而獲(huo)得(de)低溫冷量(liang)。

實(shi)際上，這兩(liang)種(zhong)(zhong)技術原理相同、裝置相似，如果(guo)將兩(liang)種(zhong)(zhong)物理過程集成(cheng)于同一裝置，不僅能呈現夜間制冷(leng)和(he)(he)白(bai)天集熱(re)的(de)雙功能特點，還可大大提升裝置的(de)時間利用率和(he)(he)能量收益。

“但(dan)光熱轉換和天空輻射制冷對涂層的光譜(pu)選擇性需求(qiu)存在(zai)固有(you)‘沖(chong)突’。前(qian)者要(yao)求(qiu)涂層在(zai)整個中紅外波段具(ju)有(you)低發(fa)射率(lv)，后(hou)者要(yao)求(qiu)涂層在(zai)大(da)氣(qi)窗口波段具(ju)有(you)高發(fa)射率(lv)。”趙斌說。

目前，常用的光熱(re)轉換和天空輻射制冷技術通過不同的光譜選擇性涂層(ceng)收(shou)集(ji)熱(re)和冷，但大多數(shu)方(fang)法(fa)是(shi)靜態和單(dan)功能的，只能分別(bie)利用不同的固(gu)定(ding)涂層(ceng)在白(bai)天提(ti)供加(jia)熱(re)、夜晚提(ti)供冷卻。

而已報道的(de)極少數光(guang)熱轉換—天(tian)空輻射制冷(leng)綜合利用也多基于(yu)靜態(tai)非選擇性涂層，雖然能(neng)實現(xian)雙(shuang)功能(neng)耦(ou)合，但集熱和制冷(leng)性能(neng)大大低于(yu)單一的(de)光(guang)熱轉換和天(tian)空輻射制冷(leng)技術。

如(ru)何(he)解決“沖突”，在(zai)實現兩種裝(zhuang)置功能疊加耦合的(de)同(tong)時又不影響各(ge)自性能，是裴剛團(tuan)隊一直在(zai)做的(de)工作(zuo)。

會“變身”的二氧化釩

此次(ci)研究中，裴剛團隊創(chuang)新性(xing)(xing)提出(chu)一種光(guang)譜自適應調(diao)控機制，即涂層(ceng)光(guang)譜選擇性(xing)(xing)能(neng)可根據能(neng)量(liang)捕獲模式進行“動(dong)態調(diao)整”。

該團隊(dui)將目標瞄準了二氧化釩薄膜。鄒崇文介紹，“二氧化釩是一種典(dian)型的強關聯過渡(du)金屬氧化物，它具有特殊的金屬—絕(jue)緣(yuan)體(ti)相變(bian)特性，相變(bian)溫度(du)約(yue)為68℃。”

當溫度(du)低于(yu)68℃時，二氧(yang)(yang)化釩是一種不導電的絕緣體，能夠同時透(tou)過(guo)可見光和紅外(wai)線(xian)；當溫度(du)超過(guo)68℃時，二氧(yang)(yang)化釩會(hui)瞬(shun)間“變身”為(wei)低電阻導體，可以阻擋紅外(wai)線(xian)透(tou)過(guo)。

鄒崇文說，利(li)用(yong)二(er)氧化釩(fan)這種溫(wen)致相變過程中(zhong)的動態紅外光譜特(te)性，再(zai)結合(he)多(duo)層(ceng)膜(mo)的涂層(ceng)設(she)計，有望實現(xian)自適應的光譜智能涂層(ceng)，解(jie)決光熱轉換和天空輻射制冷過程中(zhong)的“光譜沖(chong)突”。

記者了(le)解到，二(er)氧化(hua)釩薄膜的相變特性與其質(zhi)量(liang)密切相關，因此(ci)高質(zhi)量(liang)的二(er)氧化(hua)釩薄膜制(zhi)備是智能涂(tu)層的關鍵。

“釩(fan)原(yuan)子(zi)具有(you)多(duo)化(hua)學(xue)價(jia)態，而我們需要的(de)是(shi)具有(you)完美(mei)化(hua)學(xue)計(ji)量比的(de)+4價(jia)二氧化(hua)釩(fan)，在制備過程中首先要控制生長過程中的(de)原(yuan)子(zi)比例(li)。”鄒崇文說，“原(yuan)子(zi)比例(li)多(duo)一點(dian)或少(shao)一點(dian)，對(dui)薄膜的(de)相變特性影響都很大。”

此外(wai)，+4價的(de)二氧化釩(fan)還有(you)各種(zhong)(zhong)相(xiang)結構，而其中只有(you)某種(zhong)(zhong)特定(ding)的(de)單斜相(xiang)結構才具有(you)這種(zhong)(zhong)相(xiang)變特性(xing)。鄒(zou)崇(chong)文坦言，制備出純相(xiang)結構的(de)二氧化釩(fan)薄膜仍是(shi)一項(xiang)挑戰(zhan)。

經(jing)過(guo)不(bu)懈努力(li)，鄒崇文(wen)團隊利用分子束(shu)外延(yan)和磁控濺射等手段成功研制(zhi)了一種基于二氧化釩相(xiang)變(bian)材料的光(guang)譜自適應智能涂層(ceng)。

可應用于諸多領域

研究發(fa)(fa)現(xian)(xian)，這種(zhong)智能涂層在白天(tian)太陽(yang)輻(fu)照下(xia)處于金屬態，太陽(yang)吸收(shou)率為(wei)0.89，紅外(wai)發(fa)(fa)射(she)率僅為(wei)0.25，表現(xian)(xian)為(wei)光熱吸收(shou)特性；在夜間(jian)無輻(fu)照條件下(xia)則處于絕緣態，涂層在大(da)氣窗口波段具(ju)有高(gao)發(fa)(fa)射(she)率，在其余中紅外(wai)波段具(ju)有低發(fa)(fa)射(she)率，表現(xian)(xian)為(wei)輻(fu)射(she)制冷特性。

為探(tan)索光譜自適應智能涂層在(zai)現實天氣條件(jian)下的性能，在(zai)烏魯木齊一(yi)個晴朗的秋日，團(tuan)隊(dui)進行了戶外實驗(yan)。

實驗(yan)結果(guo)表明，這種涂層表面溫度(du)在白(bai)天(tian)可(ke)(ke)以比環(huan)境溫度(du)高170℃，在夜(ye)(ye)間(jian)可(ke)(ke)以比環(huan)境溫度(du)低20℃，具有(you)白(bai)天(tian)光熱轉換(huan)、夜(ye)(ye)間(jian)輻(fu)射制冷的(de)(de)自適應功(gong)能(neng)，同(tong)時可(ke)(ke)實現24小時全天(tian)候運行，極大提升了冷熱能(neng)量(liang)捕獲的(de)(de)綜合效率。

“這項(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)提出了一種非(fei)常新穎的(de)從太(tai)陽和太(tai)空捕獲可再(zai)生能源的(de)方法，將引起(qi)人們新的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)興趣。”審稿人評述道。

“相(xiang)關技術(shu)可以應(ying)用(yong)于建(jian)筑節能、汽車溫控(kong)、光伏(fu)冷(leng)卻、深空探(tan)測等領域。”裴剛(gang)說(shuo)，下一(yi)步(bu)，他們將在材料規模化制備(bei)、冷(leng)熱量(liang)高效收集(ji)與傳輸、逆向冷(leng)熱調控(kong)等方向開展(zhan)研究。