CRPS：华中科大研究团队开发智能百叶窗实现高效太阳热储存 | Cell Press对话科学家
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Physical science
近日，华中科技大学周军教授联合段将将副教授课题组，在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇题为“High-efficiency solar heat storage enabled by adaptive radiation management”的新研究。他们设计了可根据太阳波动而自主辐射管理的仿生光自适应薄膜（LAS），LAS将辐射热耗散降低了20倍以上，实现了高效太阳热储存。LAS还具有广泛的潜在应用前景，包括智能窗、自主机器人、光驱动马达等领域。
Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该研究进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。
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太阳能热储存
太阳热能可用于建筑采暖，热法海水淡化，聚光太阳能发电等领域，但由于太阳能的间歇性，需要开发高效的太阳能储热系统来解决太阳热能供需错配问题。然而，由于在储热过程中的热耗散，特别是辐射热耗散，高效太阳热储存仍难以实现。
周军/段将将团队设计了一种仿生光自适应薄膜（LAS），为高效太阳热储存提供了一种全新的辐射管理策略。
图1. LAS概念示意图。
自适应辐射热管理策略
受含羞草自折叠运动的启发，该团队设计了一种可以根据太阳光波动而自适应切换开/关状态的 LAS（图1）。在白天光照下，LAS 打开，储热系统收集太阳热能；在夜间或阴天时，LAS 关闭，热辐射被 LAS 背面的金属涂层反射，辐射耗散基本被抑制。
图2. 自折叠薄膜材料。
自适应薄膜响应机理
如图2所示，自适应薄膜具有三层结构，包括主动层、被动层和红外反射层。主动层由亲水性氧化纤维素纳米纤维（CNF）和碳纳米管（CNT）组成。CNF 含有丰富的亲水基团（如羟基和羧基），可以捕获周围空气中的水分子；同时，具有光热效应的 CNT可以在光照下自加热而使薄膜温度升高进而使 CNF 捕获的水分子脱附。因此，CNF/CNT 主动层在光照下脱水收缩，具有非典型的负热膨胀效应。相反，由疏水性乙基纤维素（EC）和 CNT 组成的被动层呈现典型的正热膨胀效应。所以，CNF/CNT 层与 EC/CNT 层之间的非对称膨胀使薄膜实现了随太阳波动而自适应折叠运动。另一方面，薄膜背面的银涂层具有高红外反射率，可以抑制辐射耗散，从而提高热储存效率。
LAS提升太阳能热储存
基于LAS优异的光响应特性，该团队进一步提出了智能百叶窗的概念（图3）。这种百叶窗在光照时可打开，使太阳辐照最大限度的进入储热系统；当无光照时，百叶窗关闭，其背面的红外反射层可最大限度的抑制储热系统中热辐射耗散。相比于传统储热体系，该系统辐射热损失降低了近20倍，实现了近零热辐射耗散。进一步，在连续 3 天户外测试中，耦合 LAS的储热系统与传统储热系统相比，储热温度提高了20 ℃（图4）。
图3. 太阳能热储存性能测试。
图4. 太阳能热储存性能户外测试。
小结
这项工作提出了一种全新的自适应辐射热管理策略以提高太阳能热储存效率。并且 LAS 在其他领域（如智能窗、自主机器人等）也有巨大的应用潜力，比如用于窗户节能，动态调控热辐射：阳光充足时自动开窗，最大限度地透过太阳光；无阳光时自动关窗，抑制辐射热耗散。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者段将将副教授进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
是否可以与我们分享这项工作的灵感来源？受到生物启发的过程。
段将将副教授：
理想的太阳光热转换和存储材料需同时满足太阳光吸收率接近1和红外发射率接近0。以上两种极限性能很难在单一吸光材料中实现。为此，我们希望寻找到一种全新的解决方案。我们思考的出发点是这种材料需具有动态可调的光谱吸收/发射能力：即有光照时类似黑体（吸收率1），最大限度吸收太阳光；无光照时可切换成白体（红外发射率0），最大限度抑制热辐射耗散。这种动态响应特性与自然界中向日葵或含羞草等植物体对环境刺激的响应行为非常类似。基于此，我们提出了一种仿生光自适应薄膜（LAS）的概念。这种膜类似于光开关，有光照时可打开，最大限度捕获太阳光，无光照时可关闭，背面的反射层可最大限度抑制热辐射耗散。因此，我认为科研上的灵感一定不是毫无目的的突发奇想，而是解决问题过程中的柳暗花明。
CellPress：
是否可以详细介绍一下这种新型仿生光自适应薄膜（LAS）的应用前景，具体案例有哪些？
段将将副教授：
本工作中，我们展示了仿生自适应薄膜在太阳能热存储中的应用潜力，具体而言，LAS可作为智能百叶窗覆盖在吸光材料表面。当有光照时，百叶窗开启，辐照被底部的吸光材料捕获转换为热能；当无光照时，百叶窗关闭，系统中的热辐射被百叶窗背面的金属层反射，从而实现高效的热存储。类似的，LAS还可作为智能窗用于建筑物冬季热管理。例如，有光照时，窗户开启，光线可进入房间。无光照时，窗户关闭，屋内的热辐射耗散被抑制，从而降低建筑物采暖能耗。此外，LAS还可作光照追踪器，可实现光照入射角的最优化，这在光电转换或光催化中也具有潜在应用。
CellPress：
研究过程中是否遇到技术难点？是如何攻克的？
段将将副教授：
LAS由亲水活性层和疏水惰性层构成，两层的厚度比对薄膜的光响应影响巨大。前期，我们通过有限元模拟，初步掌握了厚度比对光响应特性的影响规律，这为后期的实验提供了理论指导。此外，由于上下两层的成膜条件和工艺也截然不同，为了获得厚度比均匀的大面积薄膜，学生在有限的实验条件下付出了大量的努力，最终摸索出了成熟的成膜条件。
CellPress：
如果进行大规模的商业化生产，还有哪些问题需要解决？
段将将副教授：
目前LAS背面的金属反射层采用的是银镀层，镀膜工艺为磁控溅射。以上方案在未来的大规模商业化生产中存在三点问题：第一，银成本较高；第二，银镀层易氧化；第三，磁控工艺难以卷对卷生产。我们认为未来可替代的方案是热蒸镀铝工艺，从原理上完全可以行得通，还有待进一步验证。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
段将将副教授：
接下来，我们将开展自适应薄膜的放大生产，我们的目标是建立卷对卷生产线。其次，我们也在同步开展自适应薄膜在智能窗、光驱动器等诸多方面的应用探索。我们希望，这种材料能够在多个领域发挥作用。
作者介绍
段将将
副教授
段将将，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授。主要从事近室温热电转换及调控相关材料和器件研究。迄今为止以第一和通讯作者身份在Science、Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy等国际知名学术期刊发表学术论文40余篇。申请和授权中国发明专利10余项，主持国家和省部级项目三项。相关成果被Science专题评述，受邀在国家基金委网站撰写研究报告。
周军
教授
周军，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者（2020）。主要从事新能源转换无机非金属材料和器件研究。在Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.在内的国际顶级期刊共发表论文170篇，授权专利60余项。连续三年（2018-2020）入选科睿唯安全球高被引科学家行列。主持国家和省部级项目十余项。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
High-efficiency solar heat storage enabled by adaptive radiation management
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00244-7
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100533
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