基于热镜与定向导热的低发射率（0.34）表面用于光热储能研究

《Cell Reports Physical Science》：0.34 emissivity surface using a hot mirror and directional heat conduction for photothermal energy storage

本研究针对光热转换相变材料（PCPCMs）因高红外发射率导致辐射损失严重的问题，提出了一种结合光谱选择性低红外发射率表面与定向热传输通道的双向热调控策略。研究人员通过构建石墨烯气凝胶（GA）定向骨架封装聚乙二醇（PEG）相变材料，并在表面溅射氧化铟锡（ITO）热镜涂层，实现了表面中红外发射率低至0.34、内部传热增强65%的效果。实验表明该设计使光热转换效率从54.5%提升至81.7%，辐射损失降低76.3%，且相变焓（ΔH=149.2 J/g）无显著损失。该工作为高性能太阳能热收集与存储系统提供了通用性解决方案。

　　

随着能源危机和碳中和目标的推进，高效利用太阳能成为全球研究热点。太阳能热利用是最直接、高效的太阳能转换方式之一，但地表太阳能存在昼夜波动、季节变化和区域差异等固有挑战。相变储热材料（PCMs）能够以近似等温的方式大规模储存热能，而光热转换相变材料（PCPCMs）通过集成光热转换材料（如碳材料、金属、半导体等）与PCMs，实现了太阳能吸收与储存的一体化。然而，传统PCPCMs面临一个突出矛盾：为提高光热转换效率而增加碳材料负载量，往往会牺牲材料的热存储密度（即相变焓），并因界面热阻、颗粒聚集等问题限制传热增强。更棘手的是，碳基PCPCMs在运行中易出现表面过热（比各向同性材料高2-11°C），在低于400 K的工作温度下，其表面发射的99.968%辐射能位于中红外波段（>2.5 μm），导致大量热能以辐射形式散失到低温宇宙背景（约3 K）中，严重抵消了吸收的太阳能收益。

针对这一难题，西南交通大学袁艳平教授团队在《Cell Reports Physical Science》上发表论文，提出了一种双向协同调控策略：一方面利用具有光谱选择性的“热镜”（Hot Mirror）在表面实现低红外发射率，抑制辐射损失；另一方面在材料内部构建定向导热通道，加速热能向内部传递与存储。这种“光学调控”与“热管理”模块的集成，旨在实现太阳能高效捕获与红外损失抑制的协同增效。

研究团队采用定向冷冻干燥法制备了具有轴向排列孔结构的定向石墨烯气凝胶（D-GA），并通过真空浸渍将聚乙二醇（PEG）相变材料封装其中，形成D-GA/PCM复合材料。随后，通过磁控溅射技术在复合材料表面沉积不同厚度（100-700 nm）的ITO薄膜作为热镜层，最终得到D-GA/PCM/HM_X样品。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，紫外-可见-近红外分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪测定光学性能（反射率、发射率），差示扫描量热仪（DSC）分析相变焓，激光导热仪测量热导率，并搭建太阳能模拟器实验台测试光热转换与储能性能。此外，还建立了基于有限元法的瞬态光热转换模型，量化分析了辐射与对流损失的贡献。

结果表征

微观结构显示，D-GA成功构建了底部至顶部轴向排列的多孔骨架，而普通GA则为无序孔结构。D-GA/PCM复合材料的面向热导率达到0.434 W m^-1K^-1，比GA/PCM提高了65.0%，且熔化焓保持在149.2 J/g，表明定向结构在增强传热的同时未牺牲储能密度。热镜涂层（以HM₇₀₀为例）在太阳光谱波段（0.3-2.5 μm）保持高透射率（>85%），确保太阳能有效入射；在中红外波段（2.5-25 μm）则呈现高反射率（70-80%），使表面发射率降至0.34。

光热储能性能提升

在1.0太阳光照强度（1000 W/m2）下进行光热转换测试。结果表明，单独采用定向导热结构（D-GA/PCM）或低发射率表面（GA/PCM/HM₇₀₀）均能缩短相变完成时间。而将两者结合的D-GA/PCM/HM₇₀₀系统表现最优，其相变完成时间比D-GA/PCM和GA/PCM/HM₇₀₀分别缩短11%和14%，光热转换效率从基准的54.5%显著提升至81.7%。红外热成像显示，D-GA/PCM/HM₇₀₀表面温度分布更均匀，有效缓解了局部过热。

热损失途径的转变

理论模型分析表明，热镜的引入使系统的主要热损失途径发生了根本性转变。对于普通GA/PCM，辐射损失占总热损失的68%。而D-GA/PCM/HM₇₀₀的辐射损失降低了81.0%，尽管对流损失因材料整体温度升高而增加了8.6%，但净热损失大幅减少，主导散热机制从辐射为主转变为对流为主。热镜将表面辐射功率从412 W/m2降至112 W/m2。模拟结果还显示，在相变阶段，瞬时光热转换效率曲线出现平台期，说明等温相变过程有利于维持较高的转换效率。

红外隐身与热电应用

研究还探索了D-GA/PCM/HM在红外隐身方面的潜力。将其置于78.0°C热台上，1小时后，D-GA/PCM/HM₇₀₀表面温度仅为34.3°C，较未镀膜的D-GA/PCM（55.5°C）降低了21.2°C，这主要归因于热镜的低发射率抑制了红外辐射。在热电发电（TEG）应用中，D-GA/PCM/HM₇₀₀在充电阶段能产生更大的温差，放电阶段能延长电流输出时间超过30分钟，展示了其在太阳能连续利用方面的潜力。

结论与展望

该研究成功展示了一种通过集成低发射率热镜涂层与定向导热结构来协同提升太阳能热存储性能的双向调控策略。热镜作为光学调控模块，有效抑制了辐射损失；定向石墨烯气凝胶骨架作为热管理模块，加速了热能向内传递并促进了温度均匀分布。这种模块化设计使得光热转换效率得到显著提升，且不牺牲储能密度。研究不仅通过实验验证了性能优势，还建立了理论模型量化了不同热损失途径的贡献，深化了对光热相变过程的理解。该策略具有通用性，为下一代高效、低损耗的太阳能光热转换与存储系统设计提供了清晰的优化路径和理论依据，在太阳能热利用、建筑节能、红外隐身及热电转换等领域具有广阔的应用前景。