麻省理工学院陈刚教授和Evelyn Wang教授课题组利用超透明隔热气凝胶大幅提升光热转换温度和效率
太阳能光热利用因其低成本、易储能、理论效率高等优点，成为当前科学研究和商业化的热点技术。太阳能光热转换中的重要一步是将太阳光高效地转换为高温热能。目前，研究者主要通过提高光学系统聚光比，设计高效太阳能光热吸收板并配合真空管来达到这一目的。但是精密的控制机制、复杂的加工工艺、严苛的气密性要求等因素制约了其进一步的大规模应用。因此，如何在无需高聚光比、特殊吸收板和真空的条件下实现高温、高效的太阳能光热转换成为了一个亟待解决的难点。
近日，陈刚教授和Evelyn Wang教授团队共同研发了一种新型高透光、低导热的二氧化硅气凝胶，大幅提高了无聚光、非真空条件下的光热转换温度和效率。基于传统的溶胶-凝胶合成工艺，通过优化孔隙和粒径大小，这种新型气凝胶透光率达到95%以上，肉眼甚至难以察觉该气凝胶的存在。同时，这种新型气凝胶继承了传统非透明气凝胶的高孔隙率，低密度和低热导率的特点。由于其特殊的光学和热学性质，这种新型气凝胶可以大幅降低传统光热转换系统的热损失，并提高系统的工作温度（图1）。
图1. 通过提升透光率和降低热损失，新型高透光隔热气凝胶大幅提高光热转换的温度和效率。
经过长期的探索，由陈刚教授和Evelyn Wang教授带领的团队研发了一种快速水解沉淀（Rapid-hydrolysis-condensation）制备二氧化硅气凝胶的方法。该方法可以精细调控气凝胶孔隙和粒径大小。由于传统气凝胶中较大的孔径和粒径（~20 nm）会严重地散射可见光，尤其是波长较短的蓝色光，传统气凝胶会呈现出淡蓝色的半透明状（透光率~70%）。经过系统性地制备参数优化，该团队大幅度缩小了二氧化硅气凝胶的孔径和粒径（~6 nm）并成功实现了大面积、单片、高透光气凝胶的制备（图2）。这种新型气凝胶同时具有低密度（100-200kg/m3）、低热导率（0.02-0.1 W/mK）和耐高温（700 °C ）等特点。
图2. 高透光气凝胶样品与玻璃载玻片透明度对比，(a) 光学照片，(b) 紫外-可见光-近红外光谱
利用这种新型气凝胶，该团队实现了自然太阳光（非聚光）、无真空条件下获得265 °C（室内）和220 °C（冬季室外，图3）高温的试验结果。这一成果开辟了一条太阳能光热利用的新思路。例如，传统非聚光太阳能集热器被大量应用于家用热水器。通过加入这种新型气凝胶，这些低成本太阳能集热器不再受限于提供热水（~80 °C），而是可以提供价值更高的工业用热、冬季取暖用热等等。通过进一步优化和规模化生产，这种新型气凝胶的生产成本有望大幅降低，使其拥有更加广阔的应用前景。
图3. (a) 气凝胶太阳能光热收集装置户外试验照片（地点：麻省理工学院楼顶平台），(b) 试验过程中太阳能吸收板温度，环境温度和太阳辐射强度数据
以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200 °C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”为题发表在ACS Nano。论文的第一作者为麻省理工学院博士生赵霖，共同通讯作者为麻省理工学院的陈刚教授和Evelyn Wang教授。关于这种新型气凝胶的制备、理论计算和其他应用的相关文献已发表于Joule, Optics Express, Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。
文章链接
Harnessing Heat Beyond 200 °C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02976
A Hybrid Electric and Thermal Solar Receiver
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.009
Theoretical and experimental investigation of haze in transparent aerogels
https://doi.org/10.1364/OE.27.000A39
High temperature annealing for structural optimization of silica aerogels in solar thermal applications
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.02.009
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