當(dāng)前，全球過度依賴化石能源導(dǎo)致環(huán)境污染與生態(tài)破壞，開發(fā)高效清潔的可再生能源成為緊迫課題。熱電發(fā)電機(jī)（TEGs）雖能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，且具備無燃料消耗、無振動(dòng)和長壽命等優(yōu)勢，但太陽能的間歇性和低能量密度特性嚴(yán)重制約其全天候連續(xù)發(fā)電能力。如何突破太陽能利用的時(shí)空限制，成為科研界亟待攻克的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

北京科技大學(xué)姜澤毅教授、王存海副教授、賴念筑副教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》發(fā)表創(chuàng)新成果，成功設(shè)計(jì)出一種集光熱轉(zhuǎn)換、相變儲(chǔ)能與輻射冷卻于一體的三模式復(fù)合薄膜。該薄膜以微膠囊化相變材料（MPCMs）為核心，其內(nèi)核為二十四烷（n-Tetracosane），外殼為TiO?/Ti?O?復(fù)合材料，通過與聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)合形成柔性薄膜。該材料實(shí)現(xiàn)了93.7%的光熱轉(zhuǎn)換效率、144.5 J g?1的相變潛熱以及93.8%的大氣窗口發(fā)射率，并成功集成熱電模塊構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)（TES），在1000–5000 W m?2光照下輸出功率密度達(dá)6.1–21.1 W m?2，首次實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電。

材料設(shè)計(jì)與表征

圖1展示了微膠囊的制備與結(jié)構(gòu)：通過界面聚合法將二十四烷封裝于TiO?/Ti?O?復(fù)合殼層中（圖1a）。XRD與FTIR分析（圖1b-c）證實(shí)了Ti?O?晶相及烷烴特征峰的存在；SEM和TEM圖像（圖1d-l）揭示了4–5 μm的均一粒徑及核殼結(jié)構(gòu)，EDX圖譜進(jìn)一步驗(yàn)證鈦元素在外殼的富集，Ti?O?納米顆粒通過表面Ti─OH鍵錨定于殼層，增強(qiáng)光吸收性能。

圖1 微膠囊的制備與表征 a) 二十四烷@TiO?/Ti?O?復(fù)合微膠囊制備示意圖 b) SP1-SP5樣品的XRD圖譜 c) SP0-SP5樣品的FTIR光譜 d,e) SP1的形貌（插圖為微膠囊粒徑分布） f) 破碎微膠囊的形貌及EDX圖譜 g) SP2的形貌 h,i) SP4的形貌與EDX圖譜 j-l) SP4的TEM顯微照片

圖2聚焦熱能與光熱性能：微膠囊（SP4）相變焓達(dá)144.5 J g?1，儲(chǔ)能效率100%（圖2a），熱導(dǎo)率較純二十四烷提升271.5%（圖2e）。紅外熱成像顯示其加熱/冷卻過程存在明顯相變平臺(tái)（圖2c），200次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定（圖2d）。得益于Ti?O?的局域表面等離子體共振效應(yīng)，材料在紫外-近紅外波段吸收率超93%（圖2f），光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)93.7%（圖2g），且50次循環(huán)后溫度波動(dòng)僅±1.2℃（圖2h）。

圖2 熱儲(chǔ)能與光熱穩(wěn)定性 a) 二十四烷（SP0）與微膠囊（SP1-SP5）的相變焓 b) SP0-SP5的TGA/DTG曲線 c) SP0與SP4在加熱/冷卻過程的紅外熱成像及溫度分布曲線（溫度平臺(tái)對(duì)應(yīng)相變階段） d) SP4的多周期DSC圖譜 e) SP0、SP1、SP4的熱導(dǎo)率 f) Ti?O?、SP0、SP1、SP4的光學(xué)圖像與紫外-可見-近紅外吸收光譜 g) SP0、SP1、SP4的溫度-時(shí)間曲線 h) SP4在50次光照-冷卻循環(huán)中的溫度曲線

圖3呈現(xiàn)復(fù)合薄膜特性：SP4微膠囊通過Ti─OH與PDMS形成氫鍵，制備出柔性薄膜TMF@SP4-2（圖3a-c）。X射線斷層掃描顯示底層微膠囊密集排布（圖3b），SEM/EDX證實(shí)其均勻分散于多孔PDMS基質(zhì)（圖3d）。FTIR譜中羥基峰消失（圖3e），XPS檢測到532.3 eV的Si─O─Ti鍵（圖S13），表明界面化學(xué)鍵合，顯著提升熱導(dǎo)率（0.344 W m?1 K?1）和機(jī)械強(qiáng)度（斷裂伸長率143.3%）。薄膜兼具93.91%太陽光譜吸收率與93.8%大氣窗口發(fā)射率，50次彎折后光熱性能無損（圖3g-h）。

圖3 三模式光熱/相變/輻射冷卻薄膜的綜合性能 a) PDMS與TMF@SP4-2薄膜的光學(xué)圖像 b) TMF@SP4-2的三維重構(gòu)斷層掃描 c) 不同形狀的TMF@SP4-2薄膜實(shí)物圖 d) TMF@SP4-2的SEM與EDX圖像 e) SP0、SP4與TMF@SP4-2的FTIR光譜 f) TMF@MPCM的DSC升降溫曲線 g) TMF@SP4-2的多周期光熱曲線 h) TMF@SP4-2在50次彎折測試前后的光熱性能 i) TMF@SP4-2裁剪成"USTB"圖案在1太陽光照下的紅外熱成像

熱電性能與應(yīng)用驗(yàn)證

圖4驗(yàn)證室內(nèi)發(fā)電性能：TES系統(tǒng)由TMF@SP4-2薄膜（熱端）和鋁散熱片（冷端）構(gòu)成（圖4a）。5000 W m?2光照下，冷端置于恒溫水中時(shí)，最大輸出電壓達(dá)749.1 mV，功率密度21.1 W m?2（圖4b-c）。光照停止后，相變材料釋放儲(chǔ)熱，維持放電超800秒（圖4e-f）。系統(tǒng)成功點(diǎn)亮"USTB"圖案LED燈（圖4g），并在335分鐘循環(huán)測試中表現(xiàn)穩(wěn)定（圖4h）。

圖4 復(fù)合薄膜的光熱電轉(zhuǎn)換性能 a) TES系統(tǒng)示意圖 b) 不同光照強(qiáng)度（1000/3000/5000 W m?2）下TES的最大輸出電壓 c) TES的輸出功率直方圖 d) 5000 W m?2光照下熱端（節(jié)點(diǎn)1）溫度-時(shí)間曲線 e) 電壓-時(shí)間曲線 f) 電流-時(shí)間曲線 g) TES為燈泡與LED燈供電的實(shí)物圖 h) 5000 W m?2光照下TES的10次電壓-時(shí)間循環(huán)曲線

圖5演示全天候戶外發(fā)電：薄膜在8–13 μm大氣窗口發(fā)射率達(dá)93.8%（圖5a），TES裝置通過透明聚乙烯膜隔絕非輻射熱交換（圖5b）。其工作原理為：白天光熱轉(zhuǎn)換+儲(chǔ)熱，夜間輻射冷卻產(chǎn)生溫差（圖5c-d）。青海西寧實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，白天最大溫差23.2°C（電壓164.3 mV），夜間溫差3.5°C（電壓18.9 mV）（圖5e）。西安、北京等不同氣候城市測試均驗(yàn)證其普適性（圖S29-S32），性能超越現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道（圖5f）。

圖5 TES的輻射冷卻與太陽熱電轉(zhuǎn)換性能 a) TMF@SP4-2薄膜從紫外到中紅外波段的發(fā)射率譜（彩色陰影為AM 1.5太陽輻照度，藍(lán)色陰影為大氣透射率） b) 自制光熱電裝置示意圖 c) 多功能復(fù)合薄膜的工作機(jī)理 d) TES的全天候工作原理 e) 中國西寧的TES連續(xù)運(yùn)行實(shí)地測試數(shù)據(jù) f) TES從太陽（SA）與冷空間（RC）收集能量的性能對(duì)比（含文獻(xiàn)數(shù)據(jù)）

總結(jié)與展望

該研究首創(chuàng)兼具光熱、相變與輻射冷卻三功能的一體化材料，通過微膠囊核殼設(shè)計(jì)與界面鍵合策略，解決了太陽能間歇性難題。TES系統(tǒng)在多種地理環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)24小時(shí)連續(xù)發(fā)電，最大輸出功率密度達(dá)21.1 W m?2。這項(xiàng)突破為全天候熱電發(fā)電技術(shù)發(fā)展提供全新路徑，對(duì)推動(dòng)可再生能源高效存儲(chǔ)與利用具有重要科學(xué)意義。

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>