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南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授和陳永勝教授團(tuán)隊(duì)合作《Nat. Commun.》：可實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能的溫控零能耗雙模式熱管理器件

2022-08-22 來(lái)源：高分子科技

全球每年用于溫度控制的化石能源約占總消耗的50%，大量化石能源的使用還會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的氣候環(huán)境問(wèn)題，如何降低用于溫度控制的化石能源需求是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。輻射熱管理借助獨(dú)特的光譜選擇性，利用自然中的熱源（太陽(yáng)）與冷源（外太空），提供了一種零能耗的溫度控制技術(shù)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，一個(gè)不能回避的問(wèn)題，真實(shí)世界中環(huán)境溫度隨空間和時(shí)間動(dòng)態(tài)多變。單一模式的太陽(yáng)加熱或輻射制冷不能完全適應(yīng)環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化，非預(yù)期的溫度控制（例如炎熱狀態(tài)下的太陽(yáng)加熱或寒冷環(huán)境中的輻射制冷）反而可能加劇能源消耗。

圖 1 雙模式熱管理器件的結(jié)構(gòu)與光譜特征

近期，南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授和陳永勝教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能自切換零能耗雙模式輻射熱管理器件。器件同時(shí)具有兩組具有高選擇性的特征光譜，且加熱和制冷模式下的特征光譜都與理想光譜相近，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的輻射熱管理（圖 1）。同時(shí)，溫敏驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使得器件可通過(guò)自發(fā)感知溫度變化，智能實(shí)現(xiàn)熱管理模式的可逆切換。從熱管理到模式切換，整個(gè)過(guò)程中無(wú)需額外的能量消耗，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程零能耗工作的設(shè)計(jì)目標(biāo)。室外真實(shí)環(huán)境中的測(cè)試結(jié)果顯示，在平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度958.7 W/m²的條件下，這種雙模式熱管理器件具有~859.8 W/m²的平均太陽(yáng)加熱功率（平均光熱轉(zhuǎn)化效率~91%），和126.0 W/m²的平均輻射制冷功率，均與最新的單一太陽(yáng)加熱或輻射制冷材料性能相當(dāng)。基于歷史氣象數(shù)據(jù)的估算結(jié)果表明，這種雙模式輻射熱管理器件在全球范圍內(nèi)都表現(xiàn)出良好的全年節(jié)能效果，為輻射熱管理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一條可行的技術(shù)路線。

圖 2 雙模式器件的熱管理性能

該工作以“Temperature-dependent dual-mode thermal management device with net zero energy for year-round energy saving”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 13, 4874 (2022)）。文章第一作者是南開(kāi)大學(xué)助理研究員張權(quán)博士，共同第一作者為南開(kāi)大學(xué)碩士生呂藝文，通訊作者為南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授和陳永勝教授。研究得到國(guó)家科技部與國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能熱管理器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。馬儒軍教授目前為南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院智能熱管理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，近年來(lái)在主動(dòng)/被動(dòng)制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料、能源轉(zhuǎn)換材料與器件等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了一系列重要的研究成果，并以通訊或第一作者發(fā)表在Science、Chemical Society Reviews、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等國(guó)際知名期刊上。實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的材料制備平臺(tái)以及電學(xué)、熱學(xué)等測(cè)試系統(tǒng)，并圍繞國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、天津市重點(diǎn)基金等，展開(kāi)新能源與智能熱管理技術(shù)方向的研究。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)誠(chéng)招材料、化學(xué)、物理、電子等相關(guān)專業(yè)背景的博士后，歡迎有志之士將個(gè)人簡(jiǎn)歷（pdf）發(fā)送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn，郵件標(biāo)題請(qǐng)注明：“應(yīng)聘博士后+本人姓名+博士畢業(yè)院校”，對(duì)于符合要求并通過(guò)初審者，將會(huì)通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿前有效。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32528-1

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（責(zé)任編輯：xu）

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