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摘要：光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)是指通過反射、吸收等方(fang)式(shi)將太陽(yang)光(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為熱(re)能(neng)(neng)(neng)，從而被人類(lei)加(jia)以利用，是目前人類(lei)利用太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)的主要方(fang)法之一。相變儲熱(re)材料通過可逆(ni)相變實現熱(re)量的儲存(cun)與釋放(fang)，具有(you)儲熱(re)密(mi)度高、儲放(fang)熱(re)過程恒溫(wen)等優點。將相變儲熱(re)材料與光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)技(ji)術結(jie)合，不僅能(neng)(neng)(neng)有(you)效儲存(cun)光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)得到(dao)的熱(re)能(neng)(neng)(neng)，還(huan)能(neng)(neng)(neng)控制儲放(fang)熱(re)溫(wen)度，為熱(re)能(neng)(neng)(neng)的精準高效利用提供便利，因此成(cheng)為光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)技(ji)術的理想匹配(pei)材料。

本工作根據化學組成的差異，對當前光熱轉換領域中應用的相變儲熱材料進行分類介紹，包括光熱轉換相變儲熱材料的應用機制和應用領域，最后總結了當前光熱轉換相變材料存在的問題，并對新型光熱轉換相變材料的未來研究方向進行了展望。

關鍵詞：相變材料；光(guang)熱(re)(re)材料；光(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換；儲熱(re)(re)原理

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前言

熱能是人類社會能源消費的主要形式。根據國際能源機構(IEA)和《世界能源統計年鑒》數據，熱能(包括用于供暖、工業過程、發電等的熱能)在全球能源消費總量中占比常年維持在40%~50%之間。太陽光作為地球上許多能源的基礎來源，直接轉化為熱能的利用方式相較于轉化為其他形式的能源具有顯著優勢，不僅可以實現能源的直接利用，還具備更高的轉化效率和更低的轉化成本。因此，可將太陽光能直接轉化為熱能的光熱材料受到廣泛關注^[1]。光熱材料具有強太陽光吸收或表面等離子體共振等特性，可以將接收到的太陽光能轉化為熱能，并在光熱轉換系統中得到廣泛應用。當前光熱轉換技術應用和發展受限的主要原因如下：一方面，高度依賴天氣條件，陰天或夜間無法得到有效利用；另一方面，熱能儲存相對復雜，尤其是在大規模應用中，需要更加高效和便于利用的熱能儲存系統^[2]。

相變儲熱材料通過相態變化儲放熱量，因而具有儲放熱溫度基本恒定和儲熱密度高的優點^[3]。將光熱轉換系統與具有合適熔點的相變儲熱材料結合聯用，不但能克服太陽輻射在時間和空間上的不穩定性，還能實現優異光熱轉換性能和高蓄熱能力的完美結合，同時相變儲熱材料在基本恒溫條件下儲存和釋放熱能這一特性為進一步高效利用熱能和簡化熱能利用裝置提供了更多可能^[4]。這(zhe)種與相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料結合(he)的光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉換(huan)系(xi)統的原理是先利(li)用(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料將(jiang)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉化(hua)為熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)，部分熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)用(yong)(yong)于相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料的升(sheng)(sheng)溫(wen)和驅動相(xiang)變(bian)，然后以(yi)相(xiang)變(bian)潛熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)的形式(shi)將(jiang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)儲(chu)存起來(lai)。當太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)消失(shi)后，儲(chu)存的熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)可在降溫(wen)過程中逐漸釋放，以(yi)維持(chi)生(sheng)活(huo)和生(sheng)產(chan)的需(xu)要(yao)。近年(nian)來(lai)，光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉換(huan)和相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)結合(he)所(suo)展現的顯著優(you)勢引起材(cai)(cai)(cai)料學屆(jie)的廣泛關(guan)注，逐漸成為行業研究的熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)點之一(yi)。研究應(ying)用(yong)(yong)在光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉換(huan)領(ling)域(yu)的相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料不(bu)(bu)僅有助于設計出(chu)更加(jia)高效節能(neng)(neng)(neng)(neng)的光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉換(huan)系(xi)統，還能(neng)(neng)(neng)(neng)推動太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)的高效利(li)用(yong)(yong)。可以(yi)預見，隨(sui)著地(di)球化(hua)石能(neng)(neng)(neng)(neng)源儲(chu)量日益減少(shao)和對太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)利(li)用(yong)(yong)的重視程度不(bu)(bu)斷提升(sheng)(sheng)，新型太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)轉換(huan)存儲(chu)聯用(yong)(yong)技術的開發在不(bu)(bu)久(jiu)的將(jiang)來(lai)必將(jiang)步(bu)入快車道。

本工(gong)作對(dui)光熱(re)(re)轉(zhuan)換領(ling)域(yu)中的不同化學組成的相變(bian)儲熱(re)(re)材(cai)料進行(xing)了分類總結，并簡(jian)要介紹(shao)了光熱(re)(re)轉(zhuan)換相變(bian)材(cai)料在(zai)建筑、發電、紡織、醫療和(he)海水(shui)凈(jing)化領(ling)域(yu)的應(ying)用(yong)，以(yi)期對(dui)制備新型的光熱(re)(re)轉(zhuan)換相變(bian)材(cai)料有所(suo)啟發，繼而推動光熱(re)(re)轉(zhuan)換技術(shu)的發展和(he)大規(gui)模商(shang)業化應(ying)用(yong)。

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相變儲熱材料在光熱轉換中的分類與特性

實際應用中，太陽光在傳播過程中會因太空和大氣層的吸收而衰減，夏季晴天時，地表接收的太陽光強度約為100 mW/cm2，因此，該強度被定義為一個標準太陽光強度^[5]。由于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)(re)(re)傳遞的(de)(de)存在(zai)，光熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)一(yi)個標準太陽光下所能達到的(de)(de)最高(gao)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)有限，一(yi)般不會超過100℃。在(zai)光熱(re)(re)(re)(re)(re)轉換領域，大(da)多數系統屬于(yu)(yu)低(di)溫(wen)(wen)(wen)類型。為(wei)適配實際應用(yong)(yong)需(xu)求并使工作(zuo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)達到相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)熔點(dian)，學(xue)者們通常會選擇相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)處于(yu)(yu)40~70℃區(qu)間的(de)(de)低(di)溫(wen)(wen)(wen)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，只有少數中(zhong)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)光熱(re)(re)(re)(re)(re)轉換系統才會選擇中(zhong)溫(wen)(wen)(wen)或(huo)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。這(zhe)些(xie)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)大(da)多均為(wei)固-液相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，然而熔化(hua)時(shi)(shi)液相(xiang)(xiang)容易發生泄露。因此(ci)，在(zai)用(yong)(yong)于(yu)(yu)光熱(re)(re)(re)(re)(re)轉換時(shi)(shi)，通常會將其封(feng)裝在(zai)多孔材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)或(huo)微膠囊中(zhong)，制成形狀(zhuang)穩定的(de)(de)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。同(tong)時(shi)(shi)為(wei)了進一(yi)步提高(gao)傳熱(re)(re)(re)(re)(re)速率，封(feng)裝結構通常需(xu)要具備(bei)較(jiao)高(gao)的(de)(de)導熱(re)(re)(re)(re)(re)性能。相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)性能在(zai)很大(da)程度(du)(du)(du)上取決(jue)于(yu)(yu)封(feng)裝材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)化(hua)學(xue)組(zu)成，因此(ci)，本(ben)工作(zuo)將基(ji)于(yu)(yu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)化(hua)學(xue)組(zu)成，介(jie)紹(shao)應用(yong)(yong)于(yu)(yu)光熱(re)(re)(re)(re)(re)轉換領域的(de)(de)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。

2.1無機相變儲熱材料

光熱轉換領域中使用的無機相變儲熱材料主要為結晶水合鹽，這是因為結晶水合鹽的相變溫度通常在100℃以下，同時還具有儲熱密度高、導熱系數高、安全可靠等優勢^[6]。盡管(guan)(guan)結晶水合鹽存(cun)在過冷及相分離的缺(que)點(dian)，但通過添(tian)加少量助劑可(ke)在一(yi)定程度上改善這些問題，因(yin)此其(qi)在光熱(re)轉換領域應用較為廣泛，主要用于(yu)光熱(re)發電和個(ge)人熱(re)管(guan)(guan)理(li)等領域。

Xiao等^[7]以將Na2HPO4?12H2O作為三水合醋酸鈉(SAT)的成核劑，使用浸漬了氧化石墨烯(GO)的三聚氰胺泡沫(MF)對其進行吸附，制得形狀穩定的MF/GO/SAT光熱轉換相變材料。GO的加入大幅提高了MF/GO/SAT的光吸收能力，使其可以作為太陽光驅動溫差發電系統中的穩定熱源；SAT則為其提供了251.9 J/g的高潛熱，完全相變后內部儲存的熱能可以在太陽光消失后依然穩定輸出約10 h的電力。胡雯雯^[8]使(shi)用十水(shui)硫(liu)酸鈉(SSD)、聚丙(bing)烯酰胺水(shui)凝(ning)膠和(he)MXene納米片(pian)合成了一(yi)種柔性(xing)的(de)(de)相變水(shui)凝(ning)膠。聚丙(bing)烯酰胺水(shui)凝(ning)膠和(he)MXene納米片(pian)的(de)(de)加入(ru)為水(shui)凝(ning)膠提供了良好的(de)(de)柔性(xing)和(he)光(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換性(xing)能，而SSD的(de)(de)相變溫(wen)度(du)僅有(you)35.7℃，使(shi)得水(shui)凝(ning)膠在(zai)35℃左右即可發生相變。光(guang)照后，MXene納米片(pian)轉(zhuan)換的(de)(de)熱(re)(re)能一(yi)部分(fen)用于(yu)升高(gao)溫(wen)度(du)，一(yi)部分(fen)用來驅動SSD發生相變，從而控溫(wen)在(zai)35℃左右，且SSD中儲存的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)還能延緩無(wu)光(guang)照時(shi)的(de)(de)溫(wen)度(du)下降(jiang)。因此，這種柔性(xing)相變水(shui)凝(ning)膠在(zai)人體的(de)(de)穿戴熱(re)(re)管理和(he)醫療保健(jian)領(ling)域(yu)具(ju)有(you)很大(da)的(de)(de)應用潛力。

此外，可利用無機水合鹽的過冷效應，將其制備成觸發式光熱相變材料，使其能夠長時間儲存熱能，并在適當時刻發生相變，以釋放潛熱。Liu等^[9]使用(yong)聚(ju)丙烯(xi)酰(xian)胺(an)(an)水(shui)(shui)凝(ning)膠(jiao)吸(xi)附SAT，再結合高(gao)光吸(xi)收能力(li)的聚(ju)多巴胺(an)(an)制得一種(zhong)新型SPP(S代(dai)表三水(shui)(shui)合乙酸鈉，P代(dai)表聚(ju)丙烯(xi)酰(xian)胺(an)(an)，P代(dai)表聚(ju)多巴胺(an)(an))相變水(shui)(shui)凝(ning)膠(jiao)。經過(guo)(guo)(guo)測試發(fa)(fa)現，該相變水(shui)(shui)凝(ning)膠(jiao)具有(you)良(liang)好的柔(rou)性和(he)(he)形狀穩定(ding)性，聚(ju)丙烯(xi)酰(xian)胺(an)(an)與SAT之間形成的氫鍵保證(zheng)了相變水(shui)(shui)凝(ning)膠(jiao)的過(guo)(guo)(guo)冷穩定(ding)性，通過(guo)(guo)(guo)電觸(chu)發(fa)(fa)可以控制SAT的結晶和(he)(he)潛熱(re)的釋(shi)放(fang)。當將這種(zhong)相變水(shui)(shui)凝(ning)膠(jiao)嵌入建筑屋頂時，白(bai)天能夠吸(xi)收熱(re)量(liang)防止(zhi)建筑物(wu)過(guo)(guo)(guo)熱(re)，夜晚則(ze)通過(guo)(guo)(guo)電觸(chu)發(fa)(fa)釋(shi)放(fang)潛熱(re)[圖1(a)和(he)(he)1(b)]，從而有(you)效(xiao)調節建筑物(wu)內(nei)部溫度。

圖1 SPP復合材料調節屋頂溫度的照片和紅外圖像：(a)白天；(b)夜晚^[9]

Fig.1 Photographs and infrared images of SPP composite roof thermoregulation:(a)daytime;(b)nighttime^[9]

結(jie)(jie)晶(jing)水(shui)(shui)(shui)合(he)(he)鹽(yan)通過水(shui)(shui)(shui)分(fen)子的(de)(de)結(jie)(jie)合(he)(he)與脫離(li)實現(xian)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)儲存和(he)釋放(fang)，在(zai)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)存儲及傳(chuan)輸方面展(zhan)現(xian)出(chu)顯著優勢，將其應用于光(guang)熱(re)轉(zhuan)換領(ling)域能(neng)(neng)(neng)(neng)有(you)效克服太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)不穩定(ding)性。然而，這類材(cai)料目前仍(reng)存在(zai)一(yi)(yi)些不足：其一(yi)(yi)，熱(re)循(xun)環穩定(ding)性較差(cha)，在(zai)多次光(guang)熱(re)循(xun)環過程中易(yi)發生(sheng)結(jie)(jie)晶(jing)析出(chu)，部(bu)分(fen)水(shui)(shui)(shui)合(he)(he)鹽(yan)會因失水(shui)(shui)(shui)導致儲熱(re)性能(neng)(neng)(neng)(neng)下降；其二，部(bu)分(fen)結(jie)(jie)晶(jing)水(shui)(shui)(shui)合(he)(he)鹽(yan)對金屬有(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)腐蝕性，因為當水(shui)(shui)(shui)合(he)(he)鹽(yan)熔化后，會溶于析出(chu)的(de)(de)結(jie)(jie)晶(jing)水(shui)(shui)(shui)中，形成的(de)(de)溶液可能(neng)(neng)(neng)(neng)與金屬發生(sheng)反應，進而損壞光(guang)熱(re)轉(zhuan)換系統。

2.2有機相變儲熱材料

常見的有機相變儲熱材料主要包括石蠟、脂肪酸和多元醇材料，這類材料多屬于低溫相變儲熱材料，與無機相變儲熱材料相比，它們具有腐蝕性低、熱性能穩定、過冷度小、無相分離等顯著優勢，非常適用于低溫光熱轉換系統，已在建筑控溫、光熱發電、光熱治療、海水凈化等領域得到廣泛應用^[10,11]。

2.2.1石蠟類

石蠟(PW)是由原油蒸餾獲得的烴類混合物，主要由直鏈正構烷烴CH3-(CH2)n-CH3組成。對于偶數碳鏈石蠟，隨著鏈長增加，分子間范德華力增強，其熔點逐漸升高，因此多數光熱轉換系統可匹配到適宜熔點的石蠟。而奇數碳鏈石蠟因分子堆積疏松，分子間作用力弱，熔點不穩定，故光熱轉換領域應用的石蠟類相變儲熱材料多為偶數碳鏈石蠟^[12]。

Li等^[13]將PW包封在金屬微膠囊中，然后使用層狀MoS2對微膠囊進行改性，制備了可光熱轉換的相變微膠囊。研究表明，當MoS2使用量為10wt%時，相變微膠囊幾乎不會發生泄漏，熱響應和光吸收速率得到有效提升。此外，PW的加入可使該相變微膠囊制成的太陽能集熱板有效儲存熱能，并在光照消失后繼續輸出，其集熱效率比未添加PW的集熱板提高5.22%。Luo等^[14]先使用膨脹石墨(EG)對PW進行真空吸附，吸附完成后將其粉碎成微小顆粒，再用真空吸附將炭黑(CB)吸附到顆粒表面。EG的多孔結構使PW牢牢吸附在孔隙中而不發生泄漏，同時提高了導熱性，表面的CB使復合材料具有良好的光吸收性。在一個太陽光強度的光照測試中，復合材料可以快速地將光能轉化成熱能儲存起來，完全相變后儲存的的熱量可明顯減緩無光照時的溫度下降速度，控溫時間約為2000 s。Dai等^[15]將(jiang)阿(a)拉(la)伯膠(GA)加(jia)入多壁碳納(na)米管(MWCNT)的懸濁液(ye)，使其分(fen)散均勻，然后(hou)將(jiang)柔性(xing)(xing)的MF浸(jin)入其中，再(zai)使用引入了MWCNT的MF對(dui)PW進行物理浸(jin)漬，成(cheng)功(gong)制備了具(ju)有熱(re)(re)(re)柔性(xing)(xing)和(he)(he)熱(re)(re)(re)形狀記憶(yi)功(gong)能(neng)的光熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換相變材料，制備流程如(ru)圖2(a)和(he)(he)2(b)所示。得(de)益于MF和(he)(he)MWCNT提(ti)供的高柔性(xing)(xing)和(he)(he)高光熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換能(neng)力，MWCNT/MF/PW在光照(zhao)或受熱(re)(re)(re)時表現(xian)出良好的熱(re)(re)(re)柔性(xing)(xing)和(he)(he)熱(re)(re)(re)形狀恢(hui)復性(xing)(xing)，折疊的MWCNT/MF/PW在氙燈照(zhao)射下(xia)僅280 s即(ji)可恢(hui)復到(dao)(dao)原始(shi)舒展形狀[圖2(c)]。PW的加(jia)入使MWCNT/MF/PW具(ju)有240.7 J/g的高潛熱(re)(re)(re)，作(zuo)為控溫(wen)(wen)材料包裹(guo)水箱時，使水箱溫(wen)(wen)度從(cong)50℃降低到(dao)(dao)33.6℃的速度減緩19.61%。

圖2(a)MWCNT懸浮液的制備流程；(b)MWCNT/MF/PW的制備流程；(c)MF/PW和MWCNT/MF/PW光照后的形狀恢復^[15]

Fig.2(a)Preparation process of MWCNT suspension;(b)preparation process of MWCNT/MF/PW;(c)shape recovery of MF/PW and MWCNT/MF/PW after illumination^[15]

2.2.2脂肪酸類

脂肪酸類相變儲熱材料多提取自植物油或動物脂肪，屬于生物基相變材料^[16]。其中硬脂酸(SA)、月桂酸(LA)、棕櫚酸(PA)等的熔化溫度為30~65℃，潛熱為153~210 J/g。這類材料因具備適宜的相變溫度與較高的潛熱，成為光熱轉換領域的理想候選材料^[17]。

Zhou等^[18]采用納米Al2O3/環氧樹脂作為前驅體，經過真空高溫碳化制得的改性三維多孔碳泡沫(SGF)作為骨架，以SA為相變材料，制備了一種形狀穩定的SA/SGF復合相變材料。SGF為復合材料提供了良好的形狀穩定性，內部的多孔碳層可以減少光線的反射，在所有波長范圍內都表現出較強的光吸收能力。得益于SA的高儲熱密度，復合材料具有接近167.6 J/g的高潛熱，能夠在光照時儲存大量熱量，在光熱電轉換系統中可以作為穩定的熱源使用。Wu等^[19]設計了一種雙層的光熱轉換相變材料，上層用于高效的光熱轉換，由LA、十二烷基硫酸鈉(SDS)和CB組成，下層則負責高效導熱和儲存熱量，是由EG和LA組成的復合材料。由于上層的CB具有很強的光吸收能力，雙層材料的升溫速率比單層EG/LA復合材料提高36%。LA的存在使雙層材料具有優異的儲熱性能，在冬季太陽能建筑的溫控場景中，其內部儲存的熱量能夠將室內溫度長期維持在18~28℃之間，有效降低了供暖能耗。Kateshia等^[20]分(fen)別(bie)制作(zuo)了(le)(le)以SA,LA,PA相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)為(wei)儲(chu)熱材(cai)料(liao)(liao)的(de)太陽(yang)(yang)能蒸發(fa)(fa)器(qi)，并將其(qi)與不加(jia)儲(chu)熱材(cai)料(liao)(liao)的(de)傳(chuan)統太陽(yang)(yang)能蒸發(fa)(fa)器(qi)進行了(le)(le)對比。測試結果表明，無論(lun)是冬季還(huan)是夏季，三種含相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)蒸發(fa)(fa)器(qi)的(de)淡(dan)(dan)水生產率均(jun)比傳(chuan)統蒸發(fa)(fa)器(qi)更高。這是因為(wei)在(zai)光照(zhao)條件下，蒸發(fa)(fa)器(qi)中的(de)鍍鋅鐵板(ban)所轉(zhuan)換的(de)熱能部(bu)分(fen)存儲(chu)在(zai)相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)中，而(er)儲(chu)存的(de)熱能在(zai)夜晚(wan)釋放，從而(er)提高了(le)(le)淡(dan)(dan)水生產率。

2.2.3多元醇類

多元醇是具有多個羥基的有機化合物。其中，聚乙二醇(PEG)具有易于調節分子量，從而調節相變溫度和潛熱的特性，在光熱轉換中表現出色^[21]。但其他(ta)多元醇在高溫下可(ke)能發生自氧化，不(bu)利于光熱轉(zhuan)換。

Li等^[22]利用高溫浸漬法將PEG-800包覆于改性木質纖維中，制備了一種應用于調控建筑墻體溫度的復合相變材料。由于改性后的木質纖維具有更高的光吸收能力，而PEG-800的熔點僅為22.91℃，在模擬光照實驗中，該復合材料易于達到其熔點。因此，當該復合材料作為墻體材料使用時，建筑內部的溫升和降溫過程均顯著延緩，從而能夠有效地將溫度維持在人體舒適的范圍內。Gu等^[23]使用三種不同分子量的PEG與EG復合，并將其集成到太陽能蒸發器中用于提高淡水生產率。通過比較三種復合材料的性能，發現當PEG分子量為1500時，PEG/EG復合材料具有最適宜的相變溫度和相變潛熱，能夠迅速在光照下將能量蓄滿。儲存的熱能可使PEG-1500/EG蒸發器在黑暗時仍能持續工作，與普通蒸發器相比，其光-蒸汽轉換效率提高24.3%。Shi等^[24]使用(yong)原位聚合(he)法制備了一種含(han)PEG-3000的(de)聚氨(an)酯(PU)基柔(rou)性相(xiang)變材(cai)料(liao)，并在(zai)其中引入(ru)(ru)碳納米(mi)管(CNT)，形成了一種新型(xing)PU-CNT復(fu)合(he)材(cai)料(liao)。CNT的(de)摻入(ru)(ru)顯著提升(sheng)PU-CNT復(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)光熱轉(zhuan)換性能(neng)。如圖3(a)所示，在(zai)75~125 mW/cm2的(de)模擬(ni)太(tai)陽光照(zhao)射下，復(fu)合(he)材(cai)料(liao)能(neng)夠迅(xun)速升(sheng)溫并發生相(xiang)變，光熱轉(zhuan)換效率最高(gao)達到85.89%[圖3(b)]。此外，得益(yi)于PU和PEG的(de)加入(ru)(ru)，PU-CNT復(fu)合(he)材(cai)料(liao)表現(xian)(xian)出優良(liang)的(de)柔(rou)性和控溫性能(neng)[圖3(c)和3(d)]，蓄滿熱量后的(de)降溫階段(duan)在(zai)37℃附近出現(xian)(xian)明(ming)顯的(de)控溫平臺，在(zai)未來的(de)可穿戴(dai)智能(neng)溫控領域展現(xian)(xian)出較(jiao)大的(de)應用(yong)潛力。

圖3(a)PU-CNT復合材料在75~125 mW/cm2模擬太陽光照下的光熱轉換曲線；(b)計算得出的PU-CNT復合材料的光熱轉換效率與照射光功率的函數關系；(c)太陽光照射柔性PU-CNT復合薄膜以用于人體熱管理的示意圖；(d)PU-CNT復合薄膜和棉織物貼在人體手臂皮膚上加熱至50℃后的時間-溫度變化曲線^[24]

Fig.3(a)Photothermal conversion curves of PU-CNT composites under simulated solar irradiation at 75~125 mW/cm2;(b)calculated photothermal conversion efficiency of PU-CNT composites as a function of irradiation power;(c)schematic diagram of flexible PU-CNT composite film under solar illumination for human body thermal management;(d)time-temperature variation curves of PU-CNT composite film and cotton fabric attached to human arm skin heated to 50℃^[24]

有(you)機相(xiang)變(bian)儲熱(re)材(cai)料(liao)具(ju)備穩定的(de)熱(re)性(xing)能(neng)、可調(diao)節的(de)相(xiang)變(bian)溫度(du)和(he)潛熱(re)特性(xing)，且無(wu)需添加降(jiang)低(di)抑(yi)制(zhi)(zhi)過冷和(he)相(xiang)分(fen)離的(de)助劑，制(zhi)(zhi)備過程相(xiang)對(dui)簡便(bian)，因(yin)此在(zai)(zai)光熱(re)轉換(huan)領域中得到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用。但是(shi)，有(you)機相(xiang)變(bian)儲熱(re)材(cai)料(liao)主要由烴類(lei)化合物構成，在(zai)(zai)高溫條件下(xia)存(cun)在(zai)(zai)燃燒(shao)風險(xian)；且僅能(neng)在(zai)(zai)溫度(du)較低(di)時保持(chi)良好的(de)熱(re)性(xing)能(neng)，長期在(zai)(zai)光照下(xia)高溫使用容易導致熱(re)降(jiang)解。因(yin)此，如何提高有(you)機相(xiang)變(bian)儲熱(re)材(cai)料(liao)的(de)燃燒(shao)安全(quan)性(xing)和(he)高溫下(xia)的(de)熱(re)穩定性(xing)，需要科研人員(yuan)進一步研究。

2.3共晶相變儲熱材料

共晶相變儲熱材料是由兩種或兩種以上相變儲熱材料復合而成的一種新材料，主要包括結晶性質相似的二元或多元化合物的一般混合體系或低共熔體系等^[25]。通過調整(zheng)不(bu)同相變儲(chu)熱材料(liao)的比(bi)例(li)，可以獲得適宜的相變溫度(du)和相變潛熱，從而(er)更(geng)好地應(ying)用于實(shi)際情況。然(ran)而(er)，共晶相變儲(chu)熱材料(liao)的制(zhi)備過程通常較為復雜(za)，且(qie)在(zai)熔融時易出現多個熔化峰，因此其與光熱轉換(huan)技(ji)術(shu)的結合仍主要停留(liu)在(zai)實(shi)驗室研(yan)究階段。

Xi等^[26]通過冷凍干燥和高溫碳化制備出一種多孔殼聚糖基碳氣凝膠(CA)，以其為支撐材料共晶浸漬MgCl2?6H2O和NH4Al(SO4)2?12H2O，并添加ZrC提高其光吸收能力，成功制備了C-PCM/CA(C-PEG為碳基相變材料)光熱復合相變材料。當MgCl2?6H2O和NH4Al(SO4)2?12H2O的質量比為3∶7時，C-PCM/CA的潛熱達到最大，為214.8 J/g，在建筑物的儲能控溫領域具有很好的應用前景。Kalidasan等^[27]將二維MXene納米材料摻入Na2SO4?10H2O(SSD)和Na2HPO4?12H2O(SPDD)組成的二元共晶體系中，制備了一種新型MXene SSD/SPDD復合相變材料。結果表明，該復合材料的相變潛熱高達215.5 J/g，且具有更高的光吸收能力和導熱性能，適用于動態熱管理系統。Li等^[28]通過激光雕刻增強(qiang)木材(cai)(cai)的(de)光熱轉換能力，再以雕刻后的(de)木材(cai)(cai)作為(wei)基材(cai)(cai)吸(xi)附葵酸-硬脂(zhi)酸共晶(jing)相變材(cai)(cai)料(liao)，制備(bei)出(chu)一(yi)種能自動(dong)調節溫度的(de)復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)。研究表明，該復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)熔點約為(wei)33℃，作為(wei)木地(di)板使用時，可有效減(jian)少室(shi)內溫度波動(dong)，降低4%~8%的(de)建(jian)筑能耗。

目前(qian)，對共晶(jing)相(xiang)變儲(chu)熱(re)材料的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)主要集中(zhong)在無機(ji)(ji)-無機(ji)(ji)和(he)有(you)(you)(you)機(ji)(ji)-有(you)(you)(you)機(ji)(ji)共晶(jing)結合，而(er)對于有(you)(you)(you)機(ji)(ji)-無機(ji)(ji)共晶(jing)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)較少。然而(er)，開(kai)發新型的(de)(de)有(you)(you)(you)機(ji)(ji)-無機(ji)(ji)共晶(jing)相(xiang)變材料具有(you)(you)(you)重要的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)價值(zhi)和(he)應用(yong)前(qian)景(jing)。這種材料不僅能(neng)夠(gou)優(you)化傳(chuan)熱(re)性能(neng)和(he)提升(sheng)儲(chu)熱(re)密度，還(huan)能(neng)有(you)(you)(you)效緩解單一材料在高溫條件下可(ke)能(neng)出現的(de)(de)熱(re)失(shi)效問題(ti)，十分適用(yong)于光熱(re)轉(zhuan)換領(ling)域。因此，有(you)(you)(you)機(ji)(ji)-無機(ji)(ji)共晶(jing)相(xiang)變材料亟(ji)待相(xiang)關(guan)科(ke)研(yan)(yan)人員的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發。

不同類型的(de)光(guang)熱(re)轉(zhuan)換相變材料的(de)性能對比見表1。

表(biao)1光熱轉換相變(bian)材料性能對比

Table 1 Performance comparison of photothermal conversion phase change materials

3光熱轉換相變材料的應用領域

光熱轉換相變材料同時兼具高光熱轉換性能和高效的儲熱性能，能夠有效克服太陽能的間歇性。隨著相變儲熱材料在光熱轉換領域研究的不斷深入，光熱轉換相變材料如今已經被廣泛應用到建筑節能、太陽能發電、紡織品調溫、醫療、海水凈化等諸多領域^[29]。

3.1建筑節能領域

在現實環境中，白天太陽輻射會使建筑物內部溫度升高，夜間太陽落山后則逐漸下降。這種顯著的晝夜溫差波動不僅會對生產活動造成不利影響，也會降低居住環境的舒適性。通過將光熱轉換相變材料與墻體、屋頂和混凝土等建筑構件結合，可以在白天儲存太陽光照產生的熱量，并于夜晚釋放。該材料在恒定的溫度下儲放熱量，能夠有效減少建筑內部的溫度波動，滿足人們日常生活和生產中的建筑控溫需求^[30]，且該材料依靠太陽能驅動，無需額外能源，從而能夠顯著降低建筑控溫所需的能源消耗。此外，由于人體在接近26℃的溫度下最為舒適，因此在建筑領域中應用的光熱轉換相變材料的相變溫度通常在20~45℃之間^[31]。Zhang等^[32]先將纖維素水凝膠浸泡在含不同濃度Fe2+和Fe3+的溶液中，然后浸入NaOH溶液，將Fe3O4引入纖維素水凝膠，最后將其浸入熔融狀態的PEG-2000中完成溶劑交換，成功制備出Fe3O4-C-PEG光熱轉換相變材料。引入的Fe3O4顯著提升了光吸收性能，在Fe2+和Fe3+濃度為0.2 mol/L的條件下，0.2Fe3O4-C-PEG復合材料的光熱轉換效率達到86.7%。將該材料涂覆在模型房屋頂上，可以在白天通過光熱轉換熔化并儲存熱能，夜間凝固釋放熱能[圖4(a)]。與未經處理的模型房相比，該材料能夠將室內溫度維持在較小的波動范圍內，如圖4(b)所示。陳亞南^[33]使用高溫碳化處理后的向日葵秸稈對PW進行真空浸漬，隨后將制備的復合材料與水泥砂漿混合，形成CEM/C-PCM復合材料，并將其作為建筑保溫層。模擬測試表明，使用CEM/C-PCM復合材料的墻體具有更好的保溫性能，在144 mW/cm2的光照下照射90 min后，墻體溫度降至36℃所需的時間比僅使用水泥砂漿的墻體延長了34.61 min。Zheng等^[34]使用水熱(re)(re)(re)碳(tan)化法制備了具(ju)有介孔(kong)結(jie)構的(de)熱(re)(re)(re)液碳(tan)球(qiu)，并采用真(zhen)空吸附技術將(jiang)PEG引入碳(tan)球(qiu)內部，隨(sui)后利用高(gao)壓靜電場法將(jiang)納米銀沉積在碳(tan)球(qiu)表(biao)面。通過(guo)在混凝(ning)土中添加該復合相變材(cai)(cai)料(liao)，得到兼具(ju)光熱(re)(re)(re)轉換(huan)和熱(re)(re)(re)能(neng)存儲功能(neng)的(de)建(jian)筑材(cai)(cai)料(liao)。該材(cai)(cai)料(liao)具(ju)有147 J/g的(de)儲熱(re)(re)(re)密度(du)和優異的(de)光熱(re)(re)(re)轉換(huan)性(xing)能(neng)，在綠(lv)色儲能(neng)建(jian)筑領域具(ju)有廣闊(kuo)的(de)應(ying)用前景(jing)。

圖4(a)模型房屋熱調節示意圖；(b)10次光照循環后未覆蓋和覆蓋0.2 Fe3O4-C-PEG的模型房屋的循環溫度變化曲線^[32]

Fig.4(a)Schematic diagram of thermal regulation of the model house;(b)cyclic temperature change curves of the model house uncovered and covered with 0.2 Fe3O4-C-PEG after 10 light cycles^[32]

3.2太陽能發電領域

目前主流的光熱發電方式是使用平板集熱器將光能轉換為熱能后，再使用基于塞貝克效應的發電片或發電裝置將熱能轉換為電能，是一種極具潛力的發電方式。這種發電技術的功率輸出依賴于熱電元件兩端的溫度梯度，熱側溫度的頻繁波動會導致熱電轉換過程不穩定，甚至可能對熱電轉換系統造成損害^[35]。與相變儲熱材料相結合的光熱發電系統模型如圖5所示，該系統能夠將多余的太陽能轉換成熱能儲存在相變材料中，不僅可以有效減弱太陽照射的變化性，將熱側溫度控制在穩定范圍內，減少熱波動和熱沖擊對熱電系統的損害，降低電流輸出的波動性，還可以將儲存的能量在無光照時釋放，有效延長發電時間，緩解太陽能發電的間歇性問題，使其更好地滿足實際應用需求。Wang等^[36]將相變儲能材料應用于熱電發電機的熱側，并與未使用儲能材料的熱電發電機進行對比研究。結果表明，相變儲能材料的使用雖使輸出功率略微降低，但能有效抑制熱側溫度波動，從而對無變壓器保護的電氣設備起到保護作用。此外，儲存的熱量能夠延長兩側溫差的維持時間，從而增加功率輸出的持續時間。Luo等^[37]將熔點為60和90℃的PW作為儲熱介質應用于太陽能熱電發電機中，在實際太陽光照下，PW的引入能夠有效穩定熱流波動，從而確保熱電轉換設備實現持續穩定運行，并且其最大穩定運行時間可達12.96 h。楊曉嬌^[38]通(tong)過實驗對比了(le)光熱發電系(xi)統(tong)在有無相(xiang)變(bian)儲熱材料條件下的性(xing)能(neng)差異(yi)。結果顯示，在輻射(she)照度為800±50 W/m2、流量為0.15 m3/h、室內溫度為28℃的環境中(zhong)，添加相(xiang)變(bian)儲熱材料的系(xi)統(tong)發電效(xiao)率(lv)(lv)和光伏光熱綜合性(xing)能(neng)效(xiao)率(lv)(lv)相(xiang)較(jiao)于(yu)傳統(tong)水冷(leng)系(xi)統(tong)可分(fen)別(bie)提高16.9%和19.9%。

圖5與相(xiang)變儲熱材料(liao)結(jie)合的光熱發電(dian)系(xi)統模型

Fig.5 Model of photovoltaic power generation system combined with phase change thermal storage material

使用平板集熱器的光熱發電系統只能接受局部區域的太陽能，能夠達到的最高溫度通常較低，一般采用低溫相變材料作為儲熱介質。而聚光式光熱發電系統通過使用多個反射鏡將太陽光集中至聚光塔，能夠達到較高溫度，其儲熱介質一般為中高溫相變材料^[39]。胡先鋒^[40]將相變溫度為165℃的甘露醇(DM)與CB混合后球磨3 h得到CB/DM光熱轉換相變材料，研究其表面吸收和體積吸收對光熱轉換效率的影響，兩種吸收方式見圖6。在光照測試下，體積吸收相較于表面吸收具有更低的上下溫差和更高的平均溫度，更有利于光熱轉換效率的提高。當應用于光熱發電系統時，體積吸收所產生的開路電壓為0.66 V，高于表面吸收的0.40 V。同時，DM的存在使兩個系統的有效發電時間均得到顯著延長。Chang等^[41]設計了一(yi)種高溫熔(rong)鹽，用于相變(bian)熱(re)存(cun)儲(chu)材料的(de)新型太陽能(neng)-熱(re)能(neng)-電(dian)能(neng)采集(ji)系(xi)統，經過測試發(fa)現(xian)，該轉換(huan)系(xi)統的(de)整體效率(lv)達到2.56%，高溫熔(rong)鹽的(de)熱(re)存(cun)儲(chu)可以實現(xian)在白天儲(chu)能(neng)，并(bing)在夜晚釋放(fang)，以供照(zhao)明和取暖(nuan)。

圖6表面吸收和體積吸收的兩種太陽能吸收器模型^[40]

Fig.6 Models of two types of solar absorbers:surface absorber and volumetric absorber^[40]

3.3紡織品調溫領域

紡織品在人體與環境的熱交換中起著關鍵作用，因此需具有一定的熱舒適性。與光熱轉換相變材料結合的智能紡織品不僅能夠在恒定溫度下實現太陽能向熱能的高效轉換，通過可逆相變提升人體熱舒適性和減少供暖能耗，還能夠根據外界環境變化自動調節熱量儲存和釋放的功能，可以實現熱性能的自適應調節。為確保安全性和經濟性，應用于紡織品領域的相變儲熱材料通常選擇相變溫度在15~35℃之間的有機相變材料^[42]。Liu等^[43]設計了一種以正二十烷為內核、CaCO3為外殼的相變微膠囊，并在其外殼中引入Fe3O4以增強光吸收性能。該相變微膠囊在輻射強度為300 mW/cm2的模擬光源下照射150 s后，溫度低于66℃，并且在35~40℃區間的升溫速率明顯減緩。而未添加正二十烷的復合微球在相同條件下照射150 s后迅速升溫至71℃，這表明該復合微膠囊涂層織物具有優異的溫度調節功能。Zhao等^[44]開發了一種由二維MXene材料、CNT、PW和棉織物組成的新型多層織物，將其作為個人熱管理智能穿戴設備，如圖7(a)所示。該織物不僅具有高效的光吸收能力，還展現出優異的潛熱儲存和隔熱特性，能夠精確調控人體溫度。當將其固定在假人胸前和左臂區域時，在光照條件下能夠使覆蓋部位的表面溫度升至50℃以上，并在無光照時通過釋放儲存的熱能來調節溫度[圖7(b)和7(c)]。Zhang等^[45]通過(guo)在CNT纖維膜上沉積(ji)TiO2，成(cheng)功制(zhi)備了具(ju)有多尺度結構的(de)(de)TiO2/CNT復(fu)合(he)纖維氈，并將(jiang)其用(yong)作五元共晶脂肪酸的(de)(de)載體材(cai)料(liao)。測試結果顯(xian)示(shi)，該(gai)復(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)熔點約為16℃、相變潛熱約為100 J/g，使用(yong)該(gai)材(cai)料(liao)制(zhi)成(cheng)的(de)(de)復(fu)合(he)織(zhi)物在16~28℃的(de)(de)升(sheng)(sheng)溫過(guo)程中比(bi)純(chun)棉織(zhi)物升(sheng)(sheng)溫速度更(geng)慢，表(biao)明其具(ju)備優(you)于純(chun)棉織(zhi)物的(de)(de)溫度調控性能。

圖7(a)多層織物作為個人熱管理智能穿戴設備的示意圖；(b)帶有多層織物的人體模型180 s模擬陽光照射后的紅外圖像；(c)移除模擬陽光15s后的紅外圖像^[44]

Fig.7(a)Schematic of the multilayer fabric as a smart wearable for personal thermal management;(b)infrared image of a mannequin with multilayer fabrics after 180 s of simulated sunlight;(c)infrared image after removing simulated sunlight 15s^[44]

3.4醫療領域

光熱治療(PTT)是一種通過光熱劑在光照下產生熱能，對微生物細胞膜上的蛋白質或酶實施不可逆的破壞，從而實現殺菌的技術。當PTT與高生物相容性的相變儲熱材料結合使用時，不僅可以減少熱量散失，防止周圍健康組織的損害，還可通過調控光照使相變材料熔化，從而精準控制藥物釋放的時機和速率，實現更高效的傷口滅菌^[46]。Yuan等^[47]使用納米沉淀法將硫化銅(CuS)、抗癌藥物(DOX)和近紅外染料(MBA)與相變材料結合，合成了一種用于抗癌的光熱復合相變材料(CuS-DOX-MBA PCM)。如圖8(a)和8(b)所示，該復合材料與DOX和MBA具有相同的可見-紅外光吸收峰和發射峰，當暴露于波長為808 nm、強度為0.5 W/cm2的近紅外激光照射下時，材料會熔化并釋放內部藥物[圖8(c)和8(d)]。Kim等^[48]開發了一種嵌段共聚物復合膠束，主要由相變材料LA、光熱金納米粒子和藥物組成。為了提高生物相容性，還加入了可生物降解的聚己內酯和超支化PEG。這種復合膠束可實現非侵入性的透皮給藥，通過調控光照時間，可以精確調節LA的熔化過程，從而控制藥物的皮下釋放速率，顯著改善了藥物的皮膚滲透性。樊璐^[49]通過將黑磷納(na)(na)米(mi)片與相(xiang)變明膠、卡拉膠等(deng)物(wu)質混合，制(zhi)備了一種直(zhi)徑約為285μm的光(guang)熱相(xiang)變納(na)(na)米(mi)微球(qiu)。在1.2 W/cm2的近(jin)紅外(wai)光(guang)源下垂直(zhi)照(zhao)射60s后，這(zhe)種微球(qiu)會熔化并釋放(fang)內(nei)部藥(yao)物(wu)，可以實現藥(yao)物(wu)的長期可控(kong)釋放(fang)。

圖8(a)CuS,DOX,MBA和CuS-DOX-MBA PCM的吸收光譜；(b)CuS,DOX,MBA和CuS-DOX-MBA PCM的熒光光譜(插圖是765 nm激發下CuS和CuS-DOX-MBA PCM的熒光光譜)；(c)以0.5 W/cm2的功率密度激光照射時CuS-DOX-MBA PCM的累積DOX釋放量；(d)以0.5 W/cm2的功率密度激光照射時CuS-DOX-MBA PCM的累積MBA釋放量^[47]

Fig.8(a)Absorption spectra of CuS,DOX,MBA,and CuS-DOX-MBA PCM;(b)fluorescence spectra of CuS,DOX,MBA,and CuS-DOX-MBA PCM(inset shows fluorescence spectra of CuS and CuS-DOX-MBA PCM under 765 nm excitation);(c)cumulative DOX release from CuS-DOX-MBA PCM under 0.5 W/cm2laser irradiation;(d)cumulative MBA release from CuS-DOX-MBA PCM under 0.5 W/cm2 laser irradiation^[47]

3.5海水凈化領域

通過光熱轉換技術生成水蒸氣進行海水凈化處理，可有效生產高純度淡水和鹽分，緩解水資源短缺和水污染問題，是一種具備高效能及節能特性的技術手段。傳統太陽能蒸發器通常漂浮于水面，其光熱轉換產生的熱能一部分用于加熱海水產生蒸汽，另一部分則通過熱輻射、熱傳導、熱對流等方式散失，如圖9^[50]所示。此外，傳統太陽能蒸發器的蒸發效率會因太陽輻射的間歇性變化而大幅降低^[51]。將太陽能蒸發器與相變儲熱材料結合，不僅可以減少熱損失，還能有效緩解蒸發過程中的溫度波動。多余熱量可被儲存并在夜間釋放，從而實現海水凈化的全天候運行，最終提高整體蒸發效率^[52]。Meng等^[53]制作了一種可凈化微塑料的太陽能海水蒸發器，該蒸發器以親水性PEG-4000為相變材料，MoS2為光熱轉換增強劑，具有還原氧化石墨烯涂層的生物質海綿為吸附材料。這種新型蒸發器可以實現全天候的海水蒸發，與不加相變材料的傳統蒸發器相比，對海水的全天蒸發量提高了42%，可以有效去除海水中的微塑料污染物。曹旭蕾^[54]通過聚丙烯酸吸附PEG，并通過引入GO和納米Ag提升光熱轉換性能，制備出一種具備優異蒸發特性的光熱轉換相變材料。該材料的光吸收率達到95.4%，在光照和無光照條件下，其蒸發速率相比未摻入PEG的復合材料分別提高0.10和0.27 kg/(m2·h)。Arunkumar等^[55]以負載(zai)石墨(mo)烯(xi)納米片(pian)的殼聚糖基氣凝膠(jiao)為載(zai)體吸附大豆蠟，并將其集(ji)成到球形太陽能(neng)蒸餾器中。這種新型(xing)組合(he)不(bu)僅顯著(zhu)提高了(le)太陽能(neng)光吸收效率，即(ji)使在多云天氣下，也能(neng)實現淡水(shui)的快速、連續生產，同時顯著(zhu)降低(di)了(le)淡水(shui)生產成本。

圖9太陽能界面蒸發過程中的能量流動示意圖^[50]

Fig.9 Schematic of energy flow during evaporation at the solar energy interface^[50]

4

結語與展望

相(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)具有(you)高儲(chu)熱(re)(re)(re)密度和儲(chu)熱(re)(re)(re)過程可控的優勢，與光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)系統結合可有(you)效解決儲(chu)熱(re)(re)(re)難題，減少熱(re)(re)(re)能(neng)輸出的不穩定性，在(zai)光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)領域展(zhan)現(xian)出廣闊應(ying)用前(qian)(qian)景。經過學(xue)者們的深入研究，光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)相(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)已(yi)在(zai)建筑節能(neng)、太陽能(neng)發電、紡織品(pin)調溫(wen)、醫療及(ji)海水淡(dan)化等諸多領域得到廣泛應(ying)用。本工作(zuo)主要介紹不同(tong)化學(xue)組成的光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)相(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)，并簡要概述其在(zai)各(ge)個領域的應(ying)用。目前(qian)(qian)，光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)相(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)面臨的挑戰主要包括以(yi)下幾(ji)個問(wen)題：

(1)光熱(re)(re)轉換與相(xiang)變溫(wen)度(du)匹配(pei)問(wen)題：受熱(re)(re)傳導和(he)熱(re)(re)輻(fu)射影響(xiang)，光熱(re)(re)材(cai)料在實際太陽輻(fu)照下的最高溫(wen)度(du)存在上限，與其(qi)結合(he)的相(xiang)變儲熱(re)(re)材(cai)料的熔(rong)點必(bi)須低(di)于該溫(wen)度(du)，否則無法(fa)發生相(xiang)變，僅能存儲少(shao)量(liang)顯熱(re)(re)；

(2)導(dao)熱(re)性(xing)問題：較高(gao)的(de)導(dao)熱(re)性(xing)雖能促進熱(re)量向相(xiang)變(bian)(bian)儲熱(re)材料傳遞，但(dan)也會導(dao)致熱(re)量快速(su)散(san)失，不利(li)于熱(re)量在相(xiang)變(bian)(bian)儲熱(re)材料中的(de)積累；

(3)安全性問題：盡管在光熱轉換應用(yong)中通常將(jiang)相(xiang)變材(cai)(cai)料(liao)(liao)制成形狀(zhuang)穩定的固-固相(xiang)變材(cai)(cai)料(liao)(liao)，但經過多次相(xiang)變后可能會發生(sheng)泄(xie)漏。此外，有機相(xiang)變材(cai)(cai)料(liao)(liao)通常具有可燃性，使用(yong)過程(cheng)中存在燃燒(shao)風(feng)險。

因此，未來的(de)(de)光熱(re)(re)(re)(re)轉換相(xiang)變(bian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)應(ying)根(gen)據具(ju)體應(ying)用(yong)選(xuan)擇具(ju)有適宜熔點、潛熱(re)(re)(re)(re)及導熱(re)(re)(re)(re)系數的(de)(de)相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)。此外，應(ying)探(tan)索設(she)計光熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)與相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)分(fen)層(ceng)結構，使其能夠(gou)與多種相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)高效結合，減(jian)少昂(ang)貴(gui)的(de)(de)光熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)用(yong)量以實(shi)現成本優化；同時(shi)，應(ying)重視材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)可(ke)持續性和環(huan)境友(you)好性，從而推動(dong)相(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)在光熱(re)(re)(re)(re)轉換領域的(de)(de)深入研(yan)究與應(ying)用(yong)，實(shi)現更(geng)高效可(ke)靠和可(ke)持續的(de)(de)光熱(re)(re)(re)(re)能轉換技術。

作者：西北航¹ 胡昊¹ 張皓寒¹ 楊夢旋¹ 周宇¹ 王宏宇² 俞海云¹ （1.安徽工(gong)業大學材(cai)料科學與(yu)工(gong)程學院(yuan)，安徽 馬鞍(an)山 243032；2.中國礦業大學力(li)學與(yu)土木工(gong)程學院(yuan)，江蘇(su) 徐(xu)州 221116）

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224344