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摘要：光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換是指通(tong)過反射、吸收(shou)等(deng)方式將太(tai)陽(yang)光(guang)能(neng)轉(zhuan)換為熱(re)(re)(re)能(neng)，從而(er)被人(ren)類加以(yi)利用(yong)，是目前(qian)人(ren)類利用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)(de)主要方法之一。相變(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)通(tong)過可逆相變(bian)實現熱(re)(re)(re)量的(de)(de)儲(chu)(chu)(chu)存與釋(shi)放(fang)，具有儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)密度高、儲(chu)(chu)(chu)放(fang)熱(re)(re)(re)過程恒溫等(deng)優點。將相變(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)與光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換技(ji)術結合，不(bu)僅能(neng)有效儲(chu)(chu)(chu)存光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換得(de)到的(de)(de)熱(re)(re)(re)能(neng)，還能(neng)控制儲(chu)(chu)(chu)放(fang)熱(re)(re)(re)溫度，為熱(re)(re)(re)能(neng)的(de)(de)精(jing)準高效利用(yong)提供便利，因此成為光(guang)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換技(ji)術的(de)(de)理想匹配材(cai)料(liao)。

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(cai)料；光(guang)熱材(cai)料；光(guang)熱轉換；儲熱原理

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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]。這種(zhong)與相變儲熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)結(jie)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原理(li)是先利(li)(li)用(yong)光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)將(jiang)(jiang)太陽光(guang)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化為熱(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)，部分(fen)熱(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)用(yong)于相變儲熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升溫和(he)驅動相變，然后以(yi)(yi)相變潛熱(re)(re)(re)(re)(re)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形式將(jiang)(jiang)熱(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)儲存(cun)起來。當太陽光(guang)消失后，儲存(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)可在降溫過程中逐漸(jian)釋放，以(yi)(yi)維持生(sheng)活和(he)生(sheng)產的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)需要。近年(nian)來，光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)和(he)相變儲熱(re)(re)(re)(re)(re)結(jie)合所展現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯著優勢引(yin)起材(cai)(cai)料(liao)學屆的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)廣泛關注，逐漸(jian)成為行業(ye)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)點(dian)之(zhi)一。研(yan)究應(ying)用(yong)在光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相變儲熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)不僅有助于設計出更(geng)加(jia)高效節能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)系(xi)統(tong)，還(huan)能(neng)(neng)(neng)推動太陽能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高效利(li)(li)用(yong)。可以(yi)(yi)預(yu)見，隨著地(di)球化石能(neng)(neng)(neng)源(yuan)儲量日益減少和(he)對(dui)太陽能(neng)(neng)(neng)利(li)(li)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)視程度不斷提升，新型(xing)太陽光(guang)光(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)存(cun)儲聯用(yong)技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)開發在不久(jiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)將(jiang)(jiang)來必將(jiang)(jiang)步入快車道。

本(ben)工作對光(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)領域中的不(bu)同化學組成(cheng)的相(xiang)變儲(chu)熱(re)材(cai)(cai)料進行(xing)了(le)分(fen)類總結，并簡要(yao)介紹了(le)光(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)相(xiang)變材(cai)(cai)料在(zai)建(jian)筑、發(fa)(fa)電、紡織、醫療(liao)和海水凈化領域的應用，以期對制備新型的光(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)相(xiang)變材(cai)(cai)料有(you)所啟發(fa)(fa)，繼而推動光(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)技術的發(fa)(fa)展和大規(gui)模商業化應用。

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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(you)于(yu)熱(re)(re)傳遞的存在(zai)，光(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)在(zai)一(yi)(yi)個標(biao)準(zhun)太陽光(guang)下所(suo)能(neng)(neng)達(da)到的最(zui)高溫(wen)度(du)(du)有限(xian)，一(yi)(yi)般不會超過(guo)100℃。在(zai)光(guang)熱(re)(re)轉換領(ling)域，大(da)多(duo)數系統(tong)屬于(yu)低溫(wen)類型。為適配實際應用(yong)需(xu)求并(bing)使工作溫(wen)度(du)(du)達(da)到相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的熔點，學(xue)者們通常(chang)會選(xuan)擇(ze)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)溫(wen)度(du)(du)處于(yu)40~70℃區間的低溫(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)，只有少數中(zhong)高溫(wen)光(guang)熱(re)(re)轉換系統(tong)才會選(xuan)擇(ze)中(zhong)溫(wen)或(huo)高溫(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)。這(zhe)些(xie)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)大(da)多(duo)均(jun)為固-液相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)，然(ran)而熔化(hua)(hua)時液相(xiang)(xiang)(xiang)容(rong)易發生泄露。因此，在(zai)用(yong)于(yu)光(guang)熱(re)(re)轉換時，通常(chang)會將其封(feng)裝(zhuang)在(zai)多(duo)孔材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)或(huo)微膠囊中(zhong)，制成(cheng)形狀穩定的相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)。同(tong)時為了進一(yi)(yi)步提高傳熱(re)(re)速(su)率，封(feng)裝(zhuang)結構通常(chang)需(xu)要具備較高的導熱(re)(re)性能(neng)(neng)。相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的性能(neng)(neng)在(zai)很大(da)程度(du)(du)上(shang)取決于(yu)封(feng)裝(zhuang)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的化(hua)(hua)學(xue)組成(cheng)，因此，本(ben)工作將基于(yu)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的化(hua)(hua)學(xue)組成(cheng)，介紹應用(yong)于(yu)光(guang)熱(re)(re)轉換領(ling)域的相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(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(jin)管結晶水合鹽(yan)存在(zai)過(guo)冷及相分離(li)的缺點，但通過(guo)添加少(shao)量(liang)助劑可(ke)在(zai)一定(ding)程度上改善(shan)這些問題，因此其在(zai)光熱(re)(re)轉換領域應用較為(wei)廣泛，主要用于(yu)光熱(re)(re)發電和個人熱(re)(re)管理等領域。

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]使用十水(shui)(shui)硫酸鈉(SSD)、聚丙(bing)烯(xi)酰胺水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)和MXene納米片(pian)合(he)成了一(yi)種(zhong)柔(rou)性(xing)的(de)(de)相(xiang)變水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)。聚丙(bing)烯(xi)酰胺水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)和MXene納米片(pian)的(de)(de)加(jia)入(ru)為水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)提供了良好的(de)(de)柔(rou)性(xing)和光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換性(xing)能，而SSD的(de)(de)相(xiang)變溫(wen)度(du)僅有35.7℃，使得水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)在(zai)35℃左(zuo)右即可發(fa)生相(xiang)變。光(guang)(guang)照(zhao)后(hou)，MXene納米片(pian)轉(zhuan)(zhuan)換的(de)(de)熱(re)(re)能一(yi)部分用于升(sheng)高溫(wen)度(du)，一(yi)部分用來驅動(dong)SSD發(fa)生相(xiang)變，從而控溫(wen)在(zai)35℃左(zuo)右，且(qie)SSD中儲存的(de)(de)熱(re)(re)量還能延(yan)緩無(wu)光(guang)(guang)照(zhao)時(shi)的(de)(de)溫(wen)度(du)下降。因此，這(zhe)種(zhong)柔(rou)性(xing)相(xiang)變水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)在(zai)人體的(de)(de)穿戴熱(re)(re)管理(li)和醫療(liao)保(bao)健領域具有很(hen)大的(de)(de)應用潛力(li)。

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]使用聚丙(bing)(bing)烯酰胺水(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)吸(xi)附SAT，再結合(he)高光吸(xi)收能力的(de)聚多(duo)巴(ba)胺制得一(yi)種(zhong)新(xin)型SPP(S代(dai)(dai)表三(san)水(shui)合(he)乙(yi)酸鈉，P代(dai)(dai)表聚丙(bing)(bing)烯酰胺，P代(dai)(dai)表聚多(duo)巴(ba)胺)相(xiang)變水(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)。經過(guo)測試發現，該(gai)相(xiang)變水(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)具有良好的(de)柔性(xing)和(he)形狀穩定性(xing)，聚丙(bing)(bing)烯酰胺與(yu)SAT之間形成的(de)氫(qing)鍵保證(zheng)了(le)相(xiang)變水(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)過(guo)冷穩定性(xing)，通過(guo)電觸發可以控制SAT的(de)結晶和(he)潛熱的(de)釋放(fang)。當將這種(zhong)相(xiang)變水(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)嵌入建筑(zhu)屋頂時，白天能夠吸(xi)收熱量防止建筑(zhu)物過(guo)熱，夜晚(wan)則通過(guo)電觸發釋放(fang)潛熱[圖(tu)1(a)和(he)1(b)]，從(cong)而(er)有效調節建筑(zhu)物內(nei)部(bu)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)晶(jing)水(shui)合(he)鹽通(tong)過(guo)水(shui)分子的(de)(de)結(jie)合(he)與脫離實現(xian)熱(re)(re)能的(de)(de)儲(chu)(chu)存和釋放(fang)，在(zai)熱(re)(re)能存儲(chu)(chu)及傳輸(shu)方面展(zhan)現(xian)出(chu)顯著(zhu)優勢，將其(qi)應用于光(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換領域能有效克服(fu)太陽能的(de)(de)不(bu)穩定(ding)性(xing)。然(ran)而，這類材(cai)料目前仍存在(zai)一些不(bu)足：其(qi)一，熱(re)(re)循環(huan)穩定(ding)性(xing)較(jiao)差，在(zai)多(duo)次光(guang)熱(re)(re)循環(huan)過(guo)程中易發生(sheng)(sheng)結(jie)晶(jing)析出(chu)，部分水(shui)合(he)鹽會因(yin)失水(shui)導致儲(chu)(chu)熱(re)(re)性(xing)能下降；其(qi)二(er)，部分結(jie)晶(jing)水(shui)合(he)鹽對金(jin)屬(shu)有一定(ding)的(de)(de)腐蝕性(xing)，因(yin)為當(dang)水(shui)合(he)鹽熔化后，會溶于析出(chu)的(de)(de)結(jie)晶(jing)水(shui)中，形成的(de)(de)溶液可能與金(jin)屬(shu)發生(sheng)(sheng)反應，進而損壞(huai)光(guang)熱(re)(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]將阿拉伯膠(jiao)(GA)加入多壁碳納(na)米(mi)管(guan)(MWCNT)的(de)(de)懸濁液，使(shi)其分散均勻(yun)，然(ran)后將柔性的(de)(de)MF浸入其中(zhong)，再使(shi)用引入了MWCNT的(de)(de)MF對PW進行物理浸漬，成(cheng)功制備了具有熱(re)(re)柔性和熱(re)(re)形狀(zhuang)記(ji)憶功能(neng)的(de)(de)光熱(re)(re)轉(zhuan)換相(xiang)變材(cai)料，制備流程如圖(tu)2(a)和2(b)所示。得(de)益(yi)于MF和MWCNT提供(gong)的(de)(de)高柔性和高光熱(re)(re)轉(zhuan)換能(neng)力，MWCNT/MF/PW在(zai)光照或受熱(re)(re)時表(biao)現出(chu)良好的(de)(de)熱(re)(re)柔性和熱(re)(re)形狀(zhuang)恢復性，折疊(die)的(de)(de)MWCNT/MF/PW在(zai)氙(xian)燈照射(she)下僅280 s即可恢復到原始(shi)舒(shu)展形狀(zhuang)[圖(tu)2(c)]。PW的(de)(de)加入使(shi)MWCNT/MF/PW具有240.7 J/g的(de)(de)高潛(qian)熱(re)(re)，作為控溫(wen)材(cai)料包裹水箱時，使(shi)水箱溫(wen)度(du)從50℃降低到33.6℃的(de)(de)速度(du)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]分別(bie)制作了以(yi)SA,LA,PA相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)為儲(chu)熱(re)材料(liao)的(de)太陽(yang)能蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)(qi)，并將其與不加儲(chu)熱(re)材料(liao)的(de)傳統(tong)太陽(yang)能蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)(qi)進行(xing)了對比(bi)。測試結果(guo)表明，無論是冬季還(huan)是夏(xia)季，三種含相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)淡水(shui)(shui)生(sheng)產率均比(bi)傳統(tong)蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)(qi)更高(gao)。這(zhe)是因(yin)為在光照條件下，蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)的(de)鍍鋅鐵板(ban)所(suo)轉換的(de)熱(re)能部(bu)分存儲(chu)在相(xiang)(xiang)變(bian)材料(liao)中(zhong)(zhong)，而(er)儲(chu)存的(de)熱(re)能在夜晚釋放，從而(er)提高(gao)了淡水(shui)(shui)生(sheng)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]。但其他多元醇在高(gao)溫下可(ke)能發(fa)生(sheng)自氧化，不利于光熱轉換。

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]使用原(yuan)位聚合(he)(he)法制備了一種含PEG-3000的(de)(de)聚氨酯(zhi)(PU)基柔(rou)性相變材(cai)(cai)(cai)料，并在其中引入(ru)碳納米管(CNT)，形(xing)成了一種新(xin)型PU-CNT復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料。CNT的(de)(de)摻入(ru)顯(xian)(xian)著(zhu)提升(sheng)(sheng)PU-CNT復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)光熱轉(zhuan)換(huan)性能。如圖3(a)所示，在75~125 mW/cm2的(de)(de)模擬(ni)太陽光照(zhao)射下，復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料能夠迅速升(sheng)(sheng)溫(wen)并發生(sheng)相變，光熱轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率最高達到85.89%[圖3(b)]。此(ci)外，得(de)益(yi)于PU和(he)(he)PEG的(de)(de)加入(ru)，PU-CNT復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料表現(xian)出(chu)優良的(de)(de)柔(rou)性和(he)(he)控(kong)溫(wen)性能[圖3(c)和(he)(he)3(d)]，蓄滿熱量后的(de)(de)降(jiang)溫(wen)階段在37℃附近出(chu)現(xian)明顯(xian)(xian)的(de)(de)控(kong)溫(wen)平臺，在未來的(de)(de)可穿(chuan)戴智能溫(wen)控(kong)領(ling)域展現(xian)出(chu)較(jiao)大的(de)(de)應用潛力(li)。

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]

有機(ji)相(xiang)變(bian)儲熱(re)(re)材(cai)料(liao)具備穩(wen)定的(de)熱(re)(re)性(xing)(xing)能、可(ke)調節(jie)的(de)相(xiang)變(bian)溫(wen)度和潛熱(re)(re)特性(xing)(xing)，且(qie)無需添加降低抑(yi)制(zhi)過冷和相(xiang)分離的(de)助劑，制(zhi)備過程相(xiang)對簡便，因(yin)此在(zai)(zai)光熱(re)(re)轉換領域(yu)中得到廣(guang)泛應用。但(dan)是，有機(ji)相(xiang)變(bian)儲熱(re)(re)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)由烴類化合物構成(cheng)，在(zai)(zai)高溫(wen)條(tiao)件下(xia)(xia)存在(zai)(zai)燃(ran)(ran)燒風險(xian)；且(qie)僅能在(zai)(zai)溫(wen)度較低時保持良(liang)好(hao)的(de)熱(re)(re)性(xing)(xing)能，長期在(zai)(zai)光照下(xia)(xia)高溫(wen)使用容易(yi)導致(zhi)熱(re)(re)降解。因(yin)此，如何提高有機(ji)相(xiang)變(bian)儲熱(re)(re)材(cai)料(liao)的(de)燃(ran)(ran)燒安全(quan)性(xing)(xing)和高溫(wen)下(xia)(xia)的(de)熱(re)(re)穩(wen)定性(xing)(xing)，需要(yao)科研(yan)人員進(jin)一步研(yan)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(tong)過(guo)調整不同相變(bian)(bian)儲熱(re)(re)材料的(de)比例(li)，可以獲得適宜的(de)相變(bian)(bian)溫度和相變(bian)(bian)潛(qian)熱(re)(re)，從(cong)而更好(hao)地應(ying)用于(yu)實際(ji)情況。然而，共晶(jing)相變(bian)(bian)儲熱(re)(re)材料的(de)制備過(guo)程通(tong)常較為復雜，且在熔融時(shi)易(yi)出現(xian)多個熔化峰(feng)，因(yin)此其與光熱(re)(re)轉換技術的(de)結合仍主要(yao)停留(liu)在實驗(yan)室研究階段。

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(guo)激光(guang)雕刻增強木材(cai)的光(guang)熱(re)轉(zhuan)換能力(li)，再以雕刻后的木材(cai)作為基(ji)材(cai)吸附(fu)葵(kui)酸-硬(ying)脂酸共晶相變材(cai)料(liao)(liao)，制(zhi)備(bei)出一種能自動(dong)調節溫(wen)(wen)度(du)的復合材(cai)料(liao)(liao)。研究表明(ming)，該復合材(cai)料(liao)(liao)的熔點約(yue)為33℃，作為木地(di)板使用時，可有效減少室(shi)內溫(wen)(wen)度(du)波動(dong)，降低4%~8%的建筑(zhu)能耗。

目前(qian)，對共(gong)(gong)晶相變(bian)儲(chu)熱材(cai)料(liao)的(de)研究(jiu)主要集中(zhong)在無機(ji)-無機(ji)和(he)有(you)(you)機(ji)-有(you)(you)機(ji)共(gong)(gong)晶結合(he)，而(er)對于有(you)(you)機(ji)-無機(ji)共(gong)(gong)晶的(de)研究(jiu)較少。然而(er)，開(kai)發新型的(de)有(you)(you)機(ji)-無機(ji)共(gong)(gong)晶相變(bian)材(cai)料(liao)具有(you)(you)重要的(de)研究(jiu)價值(zhi)和(he)應用前(qian)景。這種材(cai)料(liao)不僅(jin)能夠優化傳熱性(xing)能和(he)提升(sheng)儲(chu)熱密度，還能有(you)(you)效緩解單一材(cai)料(liao)在高溫條件(jian)下(xia)可能出現的(de)熱失效問題，十分適(shi)用于光熱轉換領(ling)域。因此，有(you)(you)機(ji)-無機(ji)共(gong)(gong)晶相變(bian)材(cai)料(liao)亟待相關科(ke)研人員的(de)研究(jiu)和(he)開(kai)發。

不同類型(xing)的(de)光熱轉換(huan)相變材料的(de)性能(neng)對比見表1。

表1光(guang)熱轉換相變材(cai)料性能(neng)對(dui)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(shui)熱碳(tan)化法制備(bei)了具有介孔結(jie)構的(de)(de)熱液(ye)碳(tan)球(qiu)，并采(cai)用真空吸附(fu)技術將PEG引入碳(tan)球(qiu)內部，隨后(hou)利用高(gao)壓靜電場(chang)法將納米銀(yin)沉積在碳(tan)球(qiu)表面。通過在混(hun)凝土中(zhong)添(tian)加該(gai)(gai)復合相變材(cai)料，得(de)到兼具光熱轉(zhuan)換(huan)和(he)熱能(neng)存儲功(gong)能(neng)的(de)(de)建筑材(cai)料。該(gai)(gai)材(cai)料具有147 J/g的(de)(de)儲熱密度和(he)優異的(de)(de)光熱轉(zhuan)換(huan)性能(neng)，在綠色儲能(neng)建筑領域具有廣闊(kuo)的(de)(de)應用前(qian)景。

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]通過實驗對(dui)比了光(guang)熱發電(dian)系統在有無相變儲熱材料條(tiao)件下(xia)的(de)性能差異。結果顯示，在輻(fu)射照度為800±50 W/m2、流量為0.15 m3/h、室(shi)內溫度為28℃的(de)環境中(zhong)，添加相變儲熱材料的(de)系統發電(dian)效率(lv)和(he)光(guang)伏(fu)光(guang)熱綜合(he)性能效率(lv)相較于傳統水冷系統可分別提高16.9%和(he)19.9%。

圖5與相變儲(chu)熱(re)材料結合的光熱(re)發電系統(tong)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]設計了一種高(gao)(gao)溫熔鹽，用于相變熱(re)(re)存(cun)儲材料的新型太陽能(neng)(neng)-熱(re)(re)能(neng)(neng)-電能(neng)(neng)采集系(xi)統，經過(guo)測試發現，該轉換系(xi)統的整體效率達到2.56%，高(gao)(gao)溫熔鹽的熱(re)(re)存(cun)儲可以(yi)(yi)實現在(zai)白天儲能(neng)(neng)，并在(zai)夜晚釋放(fang)，以(yi)(yi)供照明和取暖。

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(xian)維膜上(shang)沉積TiO2，成(cheng)功制備了具有多(duo)尺度結構的TiO2/CNT復合纖(xian)維氈，并將其(qi)(qi)用(yong)作五元共晶脂肪酸的載體材料。測試結果顯示(shi)，該(gai)復合材料的熔(rong)點約為(wei)16℃、相(xiang)變潛熱約為(wei)100 J/g，使用(yong)該(gai)材料制成(cheng)的復合織(zhi)物在16~28℃的升溫過(guo)程中比純棉織(zhi)物升溫速(su)度更慢，表(biao)明其(qi)(qi)具備優于(yu)純棉織(zhi)物的溫度調(diao)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(tong)過將黑磷納米片與(yu)相變(bian)明膠(jiao)、卡(ka)拉膠(jiao)等物質混合，制備(bei)了一種直徑約(yue)為(wei)285μm的(de)(de)光(guang)熱(re)相變(bian)納米微球。在1.2 W/cm2的(de)(de)近紅外光(guang)源下(xia)垂直照(zhao)射60s后，這種微球會熔化并釋(shi)放(fang)內部藥(yao)物，可以實現藥(yao)物的(de)(de)長期可控釋(shi)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]以負載石墨(mo)烯納(na)米片的殼聚糖基氣(qi)凝膠為載體吸附大豆蠟，并將其集成(cheng)到球(qiu)形太陽(yang)能(neng)(neng)蒸餾器中。這種新型組合不僅顯著提高(gao)了(le)太陽(yang)能(neng)(neng)光吸收(shou)效(xiao)率(lv)，即使在多云天(tian)氣(qi)下，也(ye)能(neng)(neng)實現(xian)淡(dan)(dan)水的快(kuai)速、連續生產(chan)，同時顯著降(jiang)低了(le)淡(dan)(dan)水生產(chan)成(cheng)本(ben)。

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)變儲熱(re)材(cai)料具有(you)高儲熱(re)密度和(he)儲熱(re)過程(cheng)可控的(de)(de)優(you)勢，與光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換系統結合可有(you)效(xiao)解決儲熱(re)難(nan)題，減(jian)少熱(re)能(neng)輸出(chu)的(de)(de)不穩定(ding)性，在光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換領(ling)域(yu)展現出(chu)廣(guang)闊應(ying)(ying)用(yong)前(qian)景。經(jing)過學者們的(de)(de)深入研究，光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換相(xiang)變材(cai)料已在建筑節能(neng)、太陽(yang)能(neng)發(fa)電、紡織品調溫、醫療及海水淡化(hua)等諸多領(ling)域(yu)得到廣(guang)泛應(ying)(ying)用(yong)。本工(gong)作主要介紹不同(tong)化(hua)學組(zu)成的(de)(de)光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換相(xiang)變材(cai)料，并簡要概述其在各個領(ling)域(yu)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)。目前(qian)，光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換相(xiang)變材(cai)料面臨(lin)的(de)(de)挑(tiao)戰主要包(bao)括(kuo)以下幾個問題：

(1)光熱轉換與(yu)相變(bian)(bian)溫(wen)度(du)匹配問題：受熱傳導和熱輻射影(ying)響(xiang)，光熱材(cai)料在實際太陽輻照(zhao)下的(de)最高溫(wen)度(du)存在上限，與(yu)其結合的(de)相變(bian)(bian)儲熱材(cai)料的(de)熔(rong)點必須低于該溫(wen)度(du)，否則無法(fa)發生(sheng)相變(bian)(bian)，僅能存儲少量顯熱；

(2)導熱(re)(re)性問(wen)題：較高的導熱(re)(re)性雖能促進(jin)熱(re)(re)量(liang)向相變(bian)儲(chu)熱(re)(re)材料傳遞，但也會導致熱(re)(re)量(liang)快速散失，不利于熱(re)(re)量(liang)在相變(bian)儲(chu)熱(re)(re)材料中(zhong)的積累；

(3)安全性(xing)(xing)問(wen)題(ti)：盡管在光熱轉換應用中通(tong)常將相(xiang)變材料(liao)制(zhi)成形狀穩(wen)定的固-固相(xiang)變材料(liao)，但經(jing)過多次相(xiang)變后(hou)可能會(hui)發生泄(xie)漏。此(ci)外，有(you)機相(xiang)變材料(liao)通(tong)常具有(you)可燃(ran)(ran)性(xing)(xing)，使(shi)用過程中存在燃(ran)(ran)燒風險(xian)。

因此，未(wei)來的光熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換相(xiang)變材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)應(ying)(ying)根據具(ju)體應(ying)(ying)用選擇具(ju)有適宜熔(rong)點(dian)、潛熱(re)(re)(re)及導熱(re)(re)(re)系數(shu)的相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)。此外，應(ying)(ying)探索設計(ji)光熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)與(yu)相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的分層結構，使其能夠(gou)與(yu)多種(zhong)相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)高(gao)效結合，減(jian)少昂貴的光熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)用量以實現成本(ben)優化；同時，應(ying)(ying)重視(shi)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的可持續(xu)性(xing)和環境(jing)友好性(xing)，從而推動(dong)相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)在光熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換領域的深入(ru)研究(jiu)與(yu)應(ying)(ying)用，實現更高(gao)效可靠和可持續(xu)的光熱(re)(re)(re)能轉(zhuan)換技(ji)術(shu)。

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(hui)(hui)工業大學(xue)(xue)材料科學(xue)(xue)與工程(cheng)學(xue)(xue)院，安徽(hui)(hui) 馬(ma)鞍山(shan) 243032；2.中國礦業大學(xue)(xue)力學(xue)(xue)與土木工程(cheng)學(xue)(xue)院，江蘇 徐州 221116）

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224344