北京科技大学姜泽毅教授，王存海副教授，赖念筑副教授AM:用于全天候热电发电的三模光热、相变和辐射冷却膜

第一作者：侯明泰

通讯作者：姜泽毅教授，王存海副教授，赖念筑副教授

通讯单位：北京科技大学能源与环境工程学院

近日，北京科技大学姜泽毅教授，王存海副教授，赖念筑副教授合作在Advanced Materials期刊上发表一篇题为“A Tri-Mode Photothermal, Phase-Change, and Radiative-Cooling Film for All-Day Thermoelectric Generation”的研究成果。

太阳能-热能-电能转换技术因其在离网场景（如航空航天、航海）的应用潜力而备受关注，但太阳能固有的间歇性与低能量密度限制了其实际应用。传统热电发电机（TEGs）虽可将热能直接转化为电能，却难以实现全天候连续供电。近年来，光热转换（PTC）与被动辐射冷却（RC）技术的发展为提升TEG效率提供了新思路，但二者独立运作时仍无法解决昼夜能量断供问题。相变微胶囊（MPCMs）通过封装相变材料（PCMs）可实现热能存储，但其单一功能难以满足全天候能量协同管理需求。因此，开发兼具高效光热转换、相变储热与辐射冷却的多功能材料，成为突破太阳能间歇性瓶颈的关键。

要点一：相变微胶囊形貌的可控合成及表征

图1.微胶囊合成路径与结构表征

通过界面聚合法制备了以n-Tetracosane为核、TiO₂/Ti₂O₃为壳的微胶囊（microencapsulated phase change material, MPCM）。XRD和FTIR分析（图1b、1c）验证了微胶囊中含有目标成分；SEM、EDX和TEM图像（图1d–l）显示了微胶囊的均一尺寸（约4–5 μm）、核心-壳层结构及壳表面Ti2O3颗粒的分布。此外，图1e–i提供了不同样品形貌和元素分布情况。整体结果表明，该微胶囊成功实现了高负载、结构稳定且具备光热功能的复合包覆。

要点二：材料优异的储热/光热性能

图2. 微胶囊热存储与光热稳定性

要点三：复合薄膜优异的综合性能

将微胶囊与PDMS复合制备了柔性三模态薄膜（TMF@SP4），实现光热、储热与辐射冷却一体化。图3a–c展示了不同形貌和宏观外观，图3b还显示了微胶囊在薄膜中的沉积分布。SEM与EDX图（图3d）揭示了微胶囊在薄膜中的嵌入与分布。FTIR光谱（图3e）和XPS结果表明Ti–OH与Si–OH之间形成氢键与Si–O–Ti键，有利于界面热传导。DSC与加热冷却曲线（图3f）验证了相变能力；光热稳定性和机械弯曲测试（图3g、3h）确认薄膜性能优异。图3i以红外图清晰显示了“USTB”图案加热效果。

图3. 复合薄膜制备与多功能特性

要点四：集成热电系统室内热电转换性能

图4. 集成热电系统室内热电转换性能

构建了将TMF@SP4-2薄膜集成于热电系统（Thermoelectric system, TES）中进行室内光-热-电转换性能测试。在不同光强和散热条件下，测试了系统输出电压、电流与功率（图4b、4c），其中在5000 W/m²条件下最大输出电压为749.1 mV（图4e），输出功率密度达21.1 W/m²（图4f）。图4d显示热端升温曲线，图4g展示了TES点亮LED和小灯泡的实用示范。图4h展示了10轮开关循环测试的电压曲线，验证其稳定性和可持续性。

要点五：集成热电系统户外热电转换性能验证

图5. 集成热电系统户外热电转换性能验证

开展了户外实测，验证系统的全天候能量采集能力。光谱测量（图5a）表明薄膜在太阳光谱区具有93.91%高吸收率，在大气窗口区具有93.8%以上高发射率。图5b展示了实验设置，图5c和d展示了TES结构设计与工作机制。在西宁的实测中（图5e），白天最大温差达23.2 °C、电压164.3 mV，夜间通过辐射冷却仍能维持3.5 °C温差与18.9 mV输出。图5f将该系统与其他文献进行性能对比，显示其在能量利用效率与稳定性方面均具领先优势。

为了实现太阳能的高效捕获、储存与全天候利用，本研究创新性地设计了一种三模式光热-相变-辐射冷却薄膜，通过微胶囊化策略将正二十四烷封装于TiO₂/Ti₂O₃复合壳层中，赋予单一材料93.7%的光热转换效率、144.5 J g⁻¹的高潜热及93.8%的大气窗口发射率，突破传统材料功能单一的局限。复合薄膜（TMF@SP4-2）凭借PDMS基质与微胶囊间形成的Si–O–Ti界面化学键，实现热导率提升67.1%及143.3%的断裂伸长率，兼具柔性应用潜力。集成热电系统（TES）利用光热转换、相变储热与辐射冷却的协同机制，在5000 W m⁻²光照下输出功率密度达21.1 W m⁻²，夜间仍通过RC产生3.5°C温差输出18.9 mV电压，首次实现无需外部辅助的24小时连续发电。户外多环境验证（西宁、北京、西安）表明其最大昼夜温差分别为23.2°C与3.5°C，输出稳定性优于同类研究。该工作不仅为太阳能的高效存储与全天候利用提供了新材料范式，更推动了离网能源系统在航空航天等极端场景的应用进程。

王存海副教授简介

硕士生导师，北京市青年托举人才，动力工程与工程热物理专业。2018年博士毕业于哈尔滨工业大学能源学院。2020年加入北京科技大学能源与环境工程学院。建筑热辐射技术研究中心副秘书长，中国工程热物理学会会员、中国制冷学会会员、中国材料研究学会会员。Science, Joule, Energy & Environmental Science, Applied Energy等期刊审稿人。主要研究方向为空天热辐射能量开发与利用：微纳结构热辐射特性调控机制（光谱选择性热辐射、定向热辐射机理、高温热辐射特性等），新能源与储能技术中的热管理（辐射制冷、光热/光电/热电转化、海水淡化、智能窗户等），仿生门控薄膜与协同能质调控（智能响应薄膜精准构筑及其在物质分离与光热调控中的应用研究），多光谱兼容隐身结构设计开发。近年来，在Devices、Progress in Materials Science、Adv. Mater.、Nano Letters.、Applied Energy、Appl. Phys. Lett、Appl. Therm. Eng. Int. J. Heat. Mass Tran.、Energy等高水平期刊发表论文70余篇。

赖念筑副教授简介

硕士生导师，斐陶斐荣誉学会会员，化学专业。2014年博士毕业于清华大学（台湾）化学所，获得台湾同步辐射中心杰出研究奖，随后在香港中文大学从事博士后工作，合作导师为卢怡君教授，2019年加入北京科技大学能源与环境工程学院。主要研究方向为微/纳米能源材料设计与合成、能源储存与转换、电催化。近年来，在Joule、Adv. Mater、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、J. Catal.等高水平期刊发表论文40余篇。

A Tri-Mode Photothermal, Phase-Change, and Radiative-Cooling Film for All-Day Thermoelectric Generation

Mingtai Hou, Hao Chen, Song Li, Xinru Zhang, Jie Chen, Zeyi Jiang, Cunhai Wang, Nien-Chu Lai, Yulong Ding

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505601

该研究成果得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金、国家留学基金等资金支持。

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