文献前沿丨Adv. Mater. 昼夜24小时不间断热能收集

热能，包括加热和冷却需求，占全球能源消耗的最大份额。从环境中收集热能，包括太阳和黑暗，有望实现热力部门的脱碳，但效率低，不稳定。这里的灵感来自于具有蜡涂层的垂直栅栏细胞的银杏叶，通过将光谱选择性气凝胶与各向异性复合相变材料（CPCM）相结合，开发了一种24小时双向热能收集方法。在白天，太阳光被捕获，转化为热量，并存储在具有高轴向热导率（24.16 W·m-1·K-1）和3.7的各向异性比的各向异性CPCM中。利用具有“温室效应”的光谱选择性气凝胶，在一个太阳照射下，获得了高达87.5%的太阳能热能储存效率，峰值温度为382.3 K。在夜间，获得了118.8 W·m−2的最大辐射冷却功率，能够在低于环境温度4.0 K的温度下储存冷能。所提出的叶启发装置连续运行超过24小时，每年节省热能5321.4 MJ·m−2·yr−1，分别比独立的太阳能热和辐射冷却系统高出44.8%和223.3%。这种生物启发的双向能量收集策略利用太阳能和外层空间资源，建立了一个有前途的方法走向碳中性热能供应。相关工作以24-h Bidirectional Thermal Energy Harvesting: From Light to Darkness为题发表在Advanced Materials期刊。

本文从银杏叶昼夜双向调温机制出发，设计了如图1所示“气凝胶-各向异性CPCM”叠层结构：日间轴向导热24.16 W m⁻¹ K⁻¹（AR=3.7）快速储热，夜间高发射率97.7%实现辐射制冷。通过图2工艺制备SiC骨架/石蜡/TiN复合相变材料，太阳吸收率95.4%，气凝胶透光86.14%、热导0.022 W m⁻¹ K⁻¹。图3-图5表明储热效率87.5%，峰值温度382.3 K，制冷功率118.8 W m⁻²，全年节能5321 MJ m⁻²（图5h）。图6验证24 h热电发电器输出2.6 V，为碳中和连续热能供应提供新途径。

图1. 24小时双向热能收集装置示意图。

图2.剑麻衍生的CPCM和光谱选择性气凝胶的制造过程和结构表征。a）CPCM制造过程的示意图。b）剑麻粉复合材料和c）所得SiC骨架的SEM图像。d）显示详细SiC晶粒的放大SEM图像。EDS元素绘图表明e）Si和f）C元素在SiC骨架中的分布。g）SiC骨架的XRD图谱。h）气凝胶的制备过程。i）显示银杏叶上的表面蜡的放大SEM图像。j）气凝胶的微结构。k）详述气凝胶结构的放大透射电子显微镜（TEM）图像（l）气凝胶的XRD图案。

图3.二氧化硅气凝胶的疏水、热和光学性质。a）水接触角和b）气凝胶的BET结果。c）隔热实验装置的示意图，沿着样品顶面的温度曲线。d）气凝胶和光学玻璃的透射光谱，具有AM 1.5G太阳光谱和423 K下的黑体辐射光谱。e）气凝胶和光学玻璃在红外区域中的Ehrman光谱，沿着红外辐射的大气透射光谱。

图4. CPCM的热能储存和转换性能。a）不同孔隙率下CPCM的热导率。b）热驱动热能储存实验的示意图。c）CPCM和纯PCM的红外热图像。d）熔化和e）固化期间CPCM和纯PCM的温度变化。f）所提出的CPCM与最近报道的复合材料的AR的比较。g）在70 %和80 %的孔隙率下各向异性和各向同性CPCM的热能储存和释放过程的持续时间和h）能量损失。i）CPCM和纯PCM在UV-vis-NIR范围内的吸收光谱，沿着AM 1.5G太阳光谱。

图5. 24小时双向热能收集装置的性能。a）在不同条件下一个太阳照射下测量的CPCM的热响应。CPCM的熔点为325 K，风速为0或2 m·s-1，CPCM被气凝胶，玻璃，或直接暴露在大气中而没有覆盖。b）在不同辐照强度下的温度演变。c）建议的CPCM与其他最近报道的复合PCM的太阳能热能储存效率的比较。d）在热能储存期间的温度分布，熔点温度为373K。e）在晴天的室外实验期间CPCM的温度分布和相应的太阳辐射强度（2024年7月23日至24日）。f）在晴朗的夜晚记录的CPCM温度变化曲线（11月21日）。g）阴天室外实验中CPCM温度变化曲线及相应的太阳辐射强度（2024年8月2日至3日）h）估计该设备在全球各陆地气候区的年度节能潜力。

图6. 24小时发电系统的设计和性能。a）24小时发电系统的示意图和b）照片。c）在1个太阳照射（1 kW·m−2）下ΔT和相应VOC的时间演变。d）三种不同太阳照射下的VOC生成曲线。e）瞬态VOC响应和f）在集中8个太阳照射（8000 W·m−2）下的功率输出。g）在晴朗天空条件下发电系统的24小时VOC输出。

小结：综上所述，受银杏叶双向能量管理策略的启发，我们提出了一种24小时的热能收集装置，该装置将白天的太阳能热转换与夜间的辐射冷却相结合，该装置采用剑麻衍生的CPCM作为核心储能单元，具有各向异性的热导率（轴向：24.16 W·m−1·K−1;径向：6.61 W·m−1·K−1），能够实现快速轴向传热，同时抑制径向热损失。二氧化硅气凝胶集成提供选择性光谱透射率和超低热导率（0.022 W·m−1·K−1），将峰值储能温度提升至382.3 K，实现87.5%的太阳能热储能效率，同时在室外复杂对流条件下保持稳定性能，夜间，气凝胶可提供118.8 W·m−2的最大辐射制冷功率使CPCM能够在低于环境温度4.0 K的温度下储存冷能。所提出的叶子启发装置展示了前所未有的5321.4 MJ·m-2·yr-1的年热能节省，大大超越了单向太阳能热（3675.5 MJ·m−2·yr−1）或辐射冷却（1645.9 MJ·m-2·yr-1）系统。这项工作指出了一种新的途径，可以在24小时内连续从光到暗收集热能，为热能行业脱碳提供了一个有前途的解决方案。

论文信息：Wang, J., Chen, M., Cao, X. E., Liu, X., Wei, P., Xu, Q., ... & Li, Y. (2025). 24‐h Bidirectional Thermal Energy Harvesting: From Light to Darkness. Advanced Materials, e16756.

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