传统的采暖和制冷方式占据了社会总能耗的50%以上，导致了大气污染和温室效应等一系列环境问题。因此，如何有效利用可再生清洁能源进行加热和制冷，并将热能和冷能进一步转化为其他可利用的能源，已引起越来越广泛的关注。辐射热管理作为一种新型的加热和制冷手段，无需额外的能量消耗，为解决传统热管理技术能耗高和污染大的问题提供了一种全新的解决方案。在日常生活中，物体所吸收热量主要来源于太阳热辐射，其波长覆盖了280-2500 nm，能够穿透大气层到达地球表面。而地表物体发射的热辐射波长大约在5-20 μm之间，主要通过8-13 μm的透明窗口向寒冷的外太空传输热量。在同一区域内集成太阳辐射加热与红外辐射制冷，有助于进一步提升太阳能和红外辐射的利用效率，实现全天候的辐射热管理。
近日，郑州大学材料学院的王建峰副教授和王万杰教授团队基于高分子材料普适性的红外高发射和太阳光吸收能力，通过高分子材料自发的光热转换与辐射制冷，将辐射加热/制冷与环境之间的温差结合，基于塞贝克效应的温差发电设备，成功制备了大面积的全天不间断辐射-热-电转换装置，实现绿色可持续的热辐射能量转换收集（图1）。在夜间，常见高分子材料的夜间辐射制冷效果可达低于环境温度约8 ℃。随着昼夜转换，太阳辐照度迅速增加，材料的温度也随之上升，从而实现日间辐射能源收集（图2）。结果表明，常见聚合物TPU、PVC、PEEK基的集成装置分别能够输出最高113.7 mV、91.9 mV、128.2 mV的开路电压。同时，由于商业化的部件装配，使得该辐射-热-电转换装置能够实现较以往研究更大面积的应用。如图3所示，通过串联热电模块，制备了能够在日间为手机供电与夜间点亮LED的大面积辐射-热-电转换装置，装置能够输出最大约4.97 mW的功率与约1.7 V的开路电压。该研究以“Common polymers for all-day uninterrupted thermal energy harvesting and power generation”为题发表在《Materials Today Energy》上（Mater. Today Energy 2025, 48, 101767）。
图1. 全天不间断辐射-热-电转换设备工作原理示意图。
图2. 常见高分子户外集冷集热曲线与辐射-热-电转换性能。
图3. 大面积制备的辐射-热-电转换装备及应用。
基于上述研究，实现全天候高效辐射热管理及不间断辐射-热-电转换的关键在于开发具有宽光谱太阳高吸收和红外高发射特性的高分子材料（图4）。如何以绿色环保、简单的方式制备宽光谱高吸收/发射高分子复合材料，仍是亟待解决的核心问题，对实现全天候不间断的辐射热/冷收集与能量转化具有重要意义。该团队通过简单的熔融共混方法，成功制备了具有太阳/红外宽光谱高吸收特性的PP/PP-g-MAH/MXene复合材料。在MXene添加量仅为1.9 vol%时，该复合材料在280-2500 nm的超宽波段范围内展现出高达93.2%的平均吸收率（光谱曲线近乎一条直线）；在中红外大气窗口（8-13μm）中的平均吸收率为84.2%（光谱曲线近乎一条直线）（图5）。在正午太阳辐照度达到约900 W/m2时，温度比环境温度高出约50 ℃。其优异的全天候热/冷收集能力为辐射-热-电转换提供了良好的基础。在夜间，该集成系统可持续产生稳定的7.9 mW/m2电能以及最高约200 mV的电压；而白天输出功率随着温差的增大，峰值可达1.5 W/m2（图6）。该系统在不需要额外能量输入的情况下，展现出有效的电能输出，具有良好的节能应用前景。该研究以“A polymer nanocomposite with strong full-spectrum solar absorption and infrared emission for all-day thermal energy management and conversion”为题发表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2024, 11, 202308200）。王建峰副教授和王万杰教授为上述研究的通讯作者，研究得到国家自然科学基金、河南省优秀青年基金、郑州大学优秀青年人才创新团队、河南省联合基金优势学科培育项目等项目支持。
图4. 太阳/红外宽光谱高吸收PP/PP-g-MAH/MXene复合材料工作原理和光谱设计原理示意图。
图5.复合材料制备、形貌及太阳-红外光谱曲线。
图6.复合材料的全天候辐射-热-电转换电能输出。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S246860692400279X
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202308200
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