MIT陈刚院士团队：高透明、低散射气凝胶，捕集太阳光有一招！

来源：高分子科学前沿

地球大气中的温室效应（Greenhouse effect）为自然界万物提供了良好的生存环境。然而，随着人类大量使用化石燃料，原本有利于万物生存的温室效应被不断加剧，导致全球变暖和气候异常变化。在工程设计领域，研究者利用温室效应提高地面能量转换过程中的效率，实现太阳光中热能的捕集。其中，中温段（120~220 ℃）热能的需求量极高。有报道称，美国每年消耗的中温热能超过627 TWh，甚至高于2016年美国所有可再生能源产生的发电量（约599 TWh）。目前，捕集该温度范围内的能量仍依靠昂贵的光学浓缩器、选择性曲面和真空外壳等，工艺成本高，且捕集效率不佳。

基于此背景，近日，美国麻省理工学院的陈刚院士团队在国际著名刊物《ACS Nano》上发表了名为“Harnessing Heat Beyond 200 °C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”的论文。研究者以硅酸甲酯（TMOS）为原料，通过溶胶-凝胶聚合法制备了具有纳米结构的硅气凝胶，该气凝胶具备高的光学透过性、低的光散射能力。将其覆盖于黑体吸收器上作为温室腔体，由于其气凝胶层本身可有效抑制由于传导、对流和辐射引起的热损失，即使在一个非集中的太阳光（光通量为1 kW/m2）环境中，黑体吸收器处温度可超过265 ℃，此外，通过实验结合理论模拟得出装置的光热转换效率在200 ℃下仍能长期保持在50%以上，展现了优异的太阳光捕集性能，工作原理及装置如图1，2所示。

图1.装置捕集太阳光原理图.

图2. 装置户外使用照片.

该工作通过研究温室效应形成机理出发，构筑了成本较低的含高透过、低散射能力的硅气凝胶装置，高效捕集太阳光中的中温段能量，有望满足工业热的大规模需求，也为减少温室气体排放提供了一条切实可行的途径。

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