如何更高效地獲取和使用可再生能源？這次，科學(xué)家把目光投向了太陽(yáng)和深空。

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院教授裴剛、國家同步輻射實(shí)驗室研究員鄒崇文聯(lián)合研究團隊提出一種全新的能量利用方法。

　　他們開(kāi)發(fā)出一種光譜自適應智能涂層，解決了光熱轉換和輻射制冷過(guò)程中的“光譜沖突”，實(shí)現24小時(shí)全天候從太陽(yáng)熱源和太空冷源中捕獲能量。

　　光譜自適應智能涂層的正反面相關(guān)研究成果日前發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

　　從直面“光譜沖突”開(kāi)始

　　冷和熱是能源最重要的終端形式之一，全球每年約51%的能源以冷量或熱量的形式消耗。然而，目前這兩種能量的供給主要依賴(lài)傳統化石能源，無(wú)疑會(huì )進(jìn)一步加劇環(huán)境問(wèn)題。

　　因此，依靠可再生能源實(shí)現制冷和供熱，對于全球節能和減少溫室氣體排放具有重大意義。

　　“相比地球環(huán)境，溫度約為6000K的太陽(yáng)和3K的太空是地球的終極熱源和冷源?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士后趙斌介紹。

　　光熱轉換通過(guò)對太陽(yáng)輻射直接利用，獲得高溫熱量；天空輻射制冷則可以將地表能量以紅外輻射形式通過(guò)大氣窗口直接發(fā)射至低溫太空，從而獲得低溫冷量。

　　實(shí)際上，這兩種技術(shù)原理相同、裝置相似，如果將兩種物理過(guò)程集成于同一裝置，不僅能呈現夜間制冷和白天集熱的雙功能特點(diǎn)，還可大大提升裝置的時(shí)間利用率和能量收益。

　　“但光熱轉換和天空輻射制冷對涂層的光譜選擇性需求存在固有‘沖突’。前者要求涂層在整個(gè)中紅外波段具有低發(fā)射率，后者要求涂層在大氣窗口波段具有高發(fā)射率?！壁w斌說(shuō)。

　　目前，常用的光熱轉換和天空輻射制冷技術(shù)通過(guò)不同的光譜選擇性涂層收集熱和冷，但大多數方法是靜態(tài)和單功能的，只能分別利用不同的固定涂層在白天提供加熱、夜晚提供冷卻。

　　而已報道的極少數光熱轉換—天空輻射制冷綜合利用也多基于靜態(tài)非選擇性涂層，雖然能實(shí)現雙功能耦合，但集熱和制冷性能大大低于單一的光熱轉換和天空輻射制冷技術(shù)。

　　如何解決“沖突”，在實(shí)現兩種裝置功能疊加耦合的同時(shí)又不影響各自性能，是裴剛團隊一直在做的工作。

　　會(huì )“變身”的二氧化釩

　　此次研究中，裴剛團隊創(chuàng )新性提出一種光譜自適應調控機制，即涂層光譜選擇性能可根據能量捕獲模式進(jìn)行“動(dòng)態(tài)調整”。

　　該團隊將目標瞄準了二氧化釩薄膜。鄒崇文介紹，“二氧化釩是一種典型的強關(guān)聯(lián)過(guò)渡金屬氧化物，它具有特殊的金屬—絕緣體相變特性，相變溫度約為68℃?！?/p>

　　當溫度低于68℃時(shí)，二氧化釩是一種不導電的絕緣體，能夠同時(shí)透過(guò)可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)；當溫度超過(guò)68℃時(shí)，二氧化釩會(huì )瞬間“變身”為低電阻導體，可以阻擋紅外線(xiàn)透過(guò)。

　　鄒崇文說(shuō)，利用二氧化釩這種溫致相變過(guò)程中的動(dòng)態(tài)紅外光譜特性，再結合多層膜的涂層設計，有望實(shí)現自適應的光譜智能涂層，解決光熱轉換和天空輻射制冷過(guò)程中的“光譜沖突”。

　　記者了解到，二氧化釩薄膜的相變特性與其質(zhì)量密切相關(guān)，因此高質(zhì)量的二氧化釩薄膜制備是智能涂層的關(guān)鍵。

　　“釩原子具有多化學(xué)價(jià)態(tài)，而我們需要的是具有完美化學(xué)計量比的+4價(jià)二氧化釩，在制備過(guò)程中首先要控制生長(cháng)過(guò)程中的原子比例?！编u崇文說(shuō)，“原子比例多一點(diǎn)或少一點(diǎn)，對薄膜的相變特性影響都很大?！?/p>

　　此外，+4價(jià)的二氧化釩還有各種相結構，而其中只有某種特定的單斜相結構才具有這種相變特性。鄒崇文坦言，制備出純相結構的二氧化釩薄膜仍是一項挑戰。

　　經(jīng)過(guò)不懈努力，鄒崇文團隊利用分子束外延和磁控濺射等手段成功研制了一種基于二氧化釩相變材料的光譜自適應智能涂層。

　　可應用于諸多領(lǐng)域

　　研究發(fā)現，這種智能涂層在白天太陽(yáng)輻照下處于金屬態(tài)，太陽(yáng)吸收率為0.89，紅外發(fā)射率僅為0.25，表現為光熱吸收特性；在夜間無(wú)輻照條件下則處于絕緣態(tài)，涂層在大氣窗口波段具有高發(fā)射率，在其余中紅外波段具有低發(fā)射率，表現為輻射制冷特性。

　　為探索光譜自適應智能涂層在現實(shí)天氣條件下的性能，在烏魯木齊一個(gè)晴朗的秋日，團隊進(jìn)行了戶(hù)外實(shí)驗。

　　戶(hù)外實(shí)驗的系統裝置

　　實(shí)驗結果表明，這種涂層表面溫度在白天可以比環(huán)境溫度高170℃，在夜間可以比環(huán)境溫度低20℃，具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自適應功能，同時(shí)可實(shí)現24小時(shí)全天候運行，極大提升了冷熱能量捕獲的綜合效率。

　　“這項研究提出了一種非常新穎的從太陽(yáng)和太空捕獲可再生能源的方法，將引起人們新的研究興趣?！睂徃迦嗽u述道。

　　“相關(guān)技術(shù)可以應用于建筑節能、汽車(chē)溫控、光伏冷卻、深空探測等領(lǐng)域?！迸釀傉f(shuō)，下一步，他們將在材料規?；苽?、冷熱量高效收集與傳輸、逆向冷熱調控等方向開(kāi)展研究。