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摘要：光熱轉換是指通過反射、吸收等方式將太陽光能轉換為熱能，從而被人類加以利用，是目前人類利用太陽能的主要方法之一。相變儲熱材料通過可逆相變實現熱量的儲存與釋放，具有儲熱密度高、儲放熱過程恒溫等優點。將相變儲熱材料與光熱轉換技術結合，不僅能有效儲存光熱轉換得到的熱能，還能控制儲放熱溫度，為熱能的精準高效利用提供便利，因此成為光熱轉換技術的理想匹配材料。

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；光熱材料；光熱轉換；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]。這種與相變儲熱材料結合的光熱轉換系統的原理是先利用光熱材料將太陽光能轉化為熱能，部分熱能用于相變儲熱材料的升溫和驅動相變，然后以相變潛熱的形式將熱能儲存起來。當太陽光消失后，儲存的熱能可在降溫過程中逐漸釋放，以維持生活和生產的需要。近年來，光熱轉換和相變儲熱結合所展現的顯著優勢引起材料學屆的廣泛關注，逐漸成為行業研究的熱點之一。研究應用在光熱轉換領域的相變儲熱材料不僅有助于設計出更加高效節能的光熱轉換系統，還能推動太陽能的高效利用?？梢灶A見，隨著地球化石能源儲量日益減少和對太陽能利用的重視程度不斷提升，新型太陽光光熱轉換存儲聯用技術的開發在不久的將來必將步入快車道。

本工作對光熱轉換領域中的不同化學組成的相變儲熱材料進行了分類總結，并簡要介紹了光熱轉換相變材料在建筑、發電、紡織、醫療和海水凈化領域的應用，以期對制備新型的光熱轉換相變材料有所啟發，繼而推動光熱轉換技術的發展和大規模商業化應用。

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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]。由于熱傳遞的存在，光熱材料在一個標準太陽光下所能達到的最高溫度有限，一般不會超過100℃。在光熱轉換領域，大多數系統屬于低溫類型。為適配實際應用需求并使工作溫度達到相變儲熱材料的熔點，學者們通常會選擇相變溫度處于40~70℃區間的低溫相變儲熱材料，只有少數中高溫光熱轉換系統才會選擇中溫或高溫相變儲熱材料。這些相變儲熱材料大多均為固-液相變材料，然而熔化時液相容易發生泄露。因此，在用于光熱轉換時，通常會將其封裝在多孔材料或微膠囊中，制成形狀穩定的相變材料。同時為了進一步提高傳熱速率，封裝結構通常需要具備較高的導熱性能。相變儲熱材料的性能在很大程度上取決于封裝材料的化學組成，因此，本工作將基于材料的化學組成，介紹應用于光熱轉換領域的相變儲熱材料。

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]。盡管結晶水合鹽存在過冷及相分離的缺點，但通過添加少量助劑可在一定程度上改善這些問題，因此其在光熱轉換領域應用較為廣泛，主要用于光熱發電和個人熱管理等領域。

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]使用十水硫酸鈉(SSD)、聚丙烯酰胺水凝膠和MXene納米片合成了一種柔性的相變水凝膠。聚丙烯酰胺水凝膠和MXene納米片的加入為水凝膠提供了良好的柔性和光熱轉換性能，而SSD的相變溫度僅有35.7℃，使得水凝膠在35℃左右即可發生相變。光照后，MXene納米片轉換的熱能一部分用于升高溫度，一部分用來驅動SSD發生相變，從而控溫在35℃左右，且SSD中儲存的熱量還能延緩無光照時的溫度下降。因此，這種柔性相變水凝膠在人體的穿戴熱管理和醫療保健領域具有很大的應用潛力。

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]使用聚丙烯酰胺水凝膠吸附SAT，再結合高光吸收能力的聚多巴胺制得一種新型SPP(S代表三水合乙酸鈉，P代表聚丙烯酰胺，P代表聚多巴胺)相變水凝膠。經過測試發現，該相變水凝膠具有良好的柔性和形狀穩定性，聚丙烯酰胺與SAT之間形成的氫鍵保證了相變水凝膠的過冷穩定性，通過電觸發可以控制SAT的結晶和潛熱的釋放。當將這種相變水凝膠嵌入建筑屋頂時，白天能夠吸收熱量防止建筑物過熱，夜晚則通過電觸發釋放潛熱[圖1(a)和1(b)]，從而有效調節建筑物內部溫度。

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]

結晶水合鹽通過水分子的結合與脫離實現熱能的儲存和釋放，在熱能存儲及傳輸方面展現出顯著優勢，將其應用于光熱轉換領域能有效克服太陽能的不穩定性。然而，這類材料目前仍存在一些不足：其一，熱循環穩定性較差，在多次光熱循環過程中易發生結晶析出，部分水合鹽會因失水導致儲熱性能下降；其二，部分結晶水合鹽對金屬有一定的腐蝕性，因為當水合鹽熔化后，會溶于析出的結晶水中，形成的溶液可能與金屬發生反應，進而損壞光熱轉換系統。

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(GA)加入多壁碳納米管(MWCNT)的懸濁液，使其分散均勻，然后將柔性的MF浸入其中，再使用引入了MWCNT的MF對PW進行物理浸漬，成功制備了具有熱柔性和熱形狀記憶功能的光熱轉換相變材料，制備流程如圖2(a)和2(b)所示。得益于MF和MWCNT提供的高柔性和高光熱轉換能力，MWCNT/MF/PW在光照或受熱時表現出良好的熱柔性和熱形狀恢復性，折疊的MWCNT/MF/PW在氙燈照射下僅280 s即可恢復到原始舒展形狀[圖2(c)]。PW的加入使MWCNT/MF/PW具有240.7 J/g的高潛熱，作為控溫材料包裹水箱時，使水箱溫度從50℃降低到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]分別制作了以SA,LA,PA相變材料為儲熱材料的太陽能蒸發器，并將其與不加儲熱材料的傳統太陽能蒸發器進行了對比。測試結果表明，無論是冬季還是夏季，三種含相變材料蒸發器的淡水生產率均比傳統蒸發器更高。這是因為在光照條件下，蒸發器中的鍍鋅鐵板所轉換的熱能部分存儲在相變材料中，而儲存的熱能在夜晚釋放，從而提高了淡水生產率。

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]。但其他多元醇在高溫下可能發生自氧化，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]使用原位聚合法制備了一種含PEG-3000的聚氨酯(PU)基柔性相變材料，并在其中引入碳納米管(CNT)，形成了一種新型PU-CNT復合材料。CNT的摻入顯著提升PU-CNT復合材料的光熱轉換性能。如圖3(a)所示，在75~125 mW/cm2的模擬太陽光照射下，復合材料能夠迅速升溫并發生相變，光熱轉換效率最高達到85.89%[圖3(b)]。此外，得益于PU和PEG的加入，PU-CNT復合材料表現出優良的柔性和控溫性能[圖3(c)和3(d)]，蓄滿熱量后的降溫階段在37℃附近出現明顯的控溫平臺，在未來的可穿戴智能溫控領域展現出較大的應用潛力。

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]

有機相變儲熱材料具備穩定的熱性能、可調節的相變溫度和潛熱特性，且無需添加降低抑制過冷和相分離的助劑，制備過程相對簡便，因此在光熱轉換領域中得到廣泛應用。但是，有機相變儲熱材料主要由烴類化合物構成，在高溫條件下存在燃燒風險；且僅能在溫度較低時保持良好的熱性能，長期在光照下高溫使用容易導致熱降解。因此，如何提高有機相變儲熱材料的燃燒安全性和高溫下的熱穩定性，需要科研人員進一步研究。

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]。通過調整不同相變儲熱材料的比例，可以獲得適宜的相變溫度和相變潛熱，從而更好地應用于實際情況。然而，共晶相變儲熱材料的制備過程通常較為復雜，且在熔融時易出現多個熔化峰，因此其與光熱轉換技術的結合仍主要停留在實驗室研究階段。

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]通過激光雕刻增強木材的光熱轉換能力，再以雕刻后的木材作為基材吸附葵酸-硬脂酸共晶相變材料，制備出一種能自動調節溫度的復合材料。研究表明，該復合材料的熔點約為33℃，作為木地板使用時，可有效減少室內溫度波動，降低4%~8%的建筑能耗。

目前，對共晶相變儲熱材料的研究主要集中在無機-無機和有機-有機共晶結合，而對于有機-無機共晶的研究較少。然而，開發新型的有機-無機共晶相變材料具有重要的研究價值和應用前景。這種材料不僅能夠優化傳熱性能和提升儲熱密度，還能有效緩解單一材料在高溫條件下可能出現的熱失效問題，十分適用于光熱轉換領域。因此，有機-無機共晶相變材料亟待相關科研人員的研究和開發。

不同類型的光熱轉換相變材料的性能對比見表1。

表1光熱轉換相變材料性能對比

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]使用水熱碳化法制備了具有介孔結構的熱液碳球，并采用真空吸附技術將PEG引入碳球內部，隨后利用高壓靜電場法將納米銀沉積在碳球表面。通過在混凝土中添加該復合相變材料，得到兼具光熱轉換和熱能存儲功能的建筑材料。該材料具有147 J/g的儲熱密度和優異的光熱轉換性能，在綠色儲能建筑領域具有廣闊的應用前景。

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]通過實驗對比了光熱發電系統在有無相變儲熱材料條件下的性能差異。結果顯示，在輻射照度為800±50 W/m2、流量為0.15 m3/h、室內溫度為28℃的環境中，添加相變儲熱材料的系統發電效率和光伏光熱綜合性能效率相較于傳統水冷系統可分別提高16.9%和19.9%。

圖5與相變儲熱材料結合的光熱發電系統模型

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]設計了一種高溫熔鹽，用于相變熱存儲材料的新型太陽能-熱能-電能采集系統，經過測試發現，該轉換系統的整體效率達到2.56%，高溫熔鹽的熱存儲可以實現在白天儲能，并在夜晚釋放，以供照明和取暖。

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]通過在CNT纖維膜上沉積TiO2，成功制備了具有多尺度結構的TiO2/CNT復合纖維氈，并將其用作五元共晶脂肪酸的載體材料。測試結果顯示，該復合材料的熔點約為16℃、相變潛熱約為100 J/g，使用該材料制成的復合織物在16~28℃的升溫過程中比純棉織物升溫速度更慢，表明其具備優于純棉織物的溫度調控性能。

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]通過將黑磷納米片與相變明膠、卡拉膠等物質混合，制備了一種直徑約為285μm的光熱相變納米微球。在1.2 W/cm2的近紅外光源下垂直照射60s后，這種微球會熔化并釋放內部藥物，可以實現藥物的長期可控釋放。

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]以負載石墨烯納米片的殼聚糖基氣凝膠為載體吸附大豆蠟，并將其集成到球形太陽能蒸餾器中。這種新型組合不僅顯著提高了太陽能光吸收效率，即使在多云天氣下，也能實現淡水的快速、連續生產，同時顯著降低了淡水生產成本。

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

相變儲熱材料具有高儲熱密度和儲熱過程可控的優勢，與光熱轉換系統結合可有效解決儲熱難題，減少熱能輸出的不穩定性，在光熱轉換領域展現出廣闊應用前景。經過學者們的深入研究，光熱轉換相變材料已在建筑節能、太陽能發電、紡織品調溫、醫療及海水淡化等諸多領域得到廣泛應用。本工作主要介紹不同化學組成的光熱轉換相變材料，并簡要概述其在各個領域的應用。目前，光熱轉換相變材料面臨的挑戰主要包括以下幾個問題：

(1)光熱轉換與相變溫度匹配問題：受熱傳導和熱輻射影響，光熱材料在實際太陽輻照下的最高溫度存在上限，與其結合的相變儲熱材料的熔點必須低于該溫度，否則無法發生相變，僅能存儲少量顯熱；

(2)導熱性問題：較高的導熱性雖能促進熱量向相變儲熱材料傳遞，但也會導致熱量快速散失，不利于熱量在相變儲熱材料中的積累；

(3)安全性問題：盡管在光熱轉換應用中通常將相變材料制成形狀穩定的固-固相變材料，但經過多次相變后可能會發生泄漏。此外，有機相變材料通常具有可燃性，使用過程中存在燃燒風險。

因此，未來的光熱轉換相變材料應根據具體應用選擇具有適宜熔點、潛熱及導熱系數的相變儲熱材料。此外，應探索設計光熱材料與相變儲熱材料的分層結構，使其能夠與多種相變儲熱材料高效結合，減少昂貴的光熱材料用量以實現成本優化；同時，應重視材料的可持續性和環境友好性，從而推動相變儲熱材料在光熱轉換領域的深入研究與應用，實現更高效可靠和可持續的光熱能轉換技術。

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.安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116）

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224344