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Nano Energy发文|上海交大胡志宇课题组:辐射制冷效应增强型可穿戴自供能技术
发布时间:2024-06-07

    近期,上海交通大学张江高等研究院讲席教授胡志宇带领的研究团队从生物体温调节机制中获得灵感,开发了具有多尺度超结构的柔性辐射制冷器,实现了双波段光学特性(高太阳光反射和高中红外热发射)之间的兼容性及其在多场景中的适用性。[6]这种仿生RC有效地散射和反射了太阳光,同时增强了中红外区域的热发射,从而在白天和晚上展现了显著冷却性能。此外,将RC集成到自制的柔性环形热电发电机(C-TEG)中形成的发电器件(RC-C-TEG)具有高面积比(α=2.7),比传统的RC-TEG(α=1)的输出性能提高了150%。当应用在可穿戴场景时,RC-C-TEG可以同时从外太空和人体获取热能,实现143 mW/m2的功率输出。相关研究成果以Multi-bioinspired flexible thermal emitters for all-day radiative cooling and wearable self-powered thermoelectric generation 为题发表在Nano Energy上。

主要研究内容及亮点:

1 通过多重仿生策略(巨瘤角天牛的绒毛和大力士甲虫的角质层),制备了具有表面金字塔阵列,内部有机/无机杂化基质和底部反射层的复合超结构材料。这种材料在太阳光波段(0.3-2.5 μm)具有高反射率(96%),在大气窗口波段(8-14 μm)具有高发射率(91%),并且展现了优秀的户外制冷能力(日间制冷7.3℃,夜间制冷10.2℃)。该薄膜的低太阳吸收能力来源于金属层反射作用,多层结构,电介质陶瓷颗粒Mie散射效应和超表面结构全内反射作用;其高中红外发射能力来源于聚合物分子本征吸收,金字塔结构梯度折射率结构和电介质陶瓷颗粒声子极化效应。

1 复合超结构材料的(a-b)设计思路及(c)制备过程。

2 利用氙灯模拟太阳光,利用液氮模拟外太空,设计并搭建了一套室内辐射制冷测试装置,探索了太阳能加热效应和辐射制冷效应之间的协同作用,验证了全向热发射特性的作用,为日间/夜间辐射制冷的性能评估提供了依据。

2 室内测试辐射制冷能力:(a-b)夜间辐射制冷;(c-d)日间辐射制冷。

3 设计并制备了一种具有水平方向面内各向同性的环形热电发电机(C-TEG),并且实现了尺寸微型化和结构柔性化。这种C-TEG显示出较好的输出性能和较低的内阻,并在多次弯曲后仍然表现出极佳的稳定性。通过块体焊接工艺提高了界面结合力、降低界面内阻、提高机械/电学稳定性、延长服役寿命。将RC与C-TEG结合可以通过优化其面积比值来提高热管理能力,从而提高输出性能。

3 环形热电发电机(C-TEG)及辐射制冷增强热电发电机(RC-C-TEG):C-TEG的(a)结构,(b)输出性能和(c)稳定性。RC-C-TEG的(d)输出性能和(e)户外测试结果。

4 RC-C-TEG应用在人体可穿戴场景可以同时捕获来自外太空和人体的热能,实现不间断的电能供给。仿生RC可以将热电器件两端温差提高2.2℃,相当于在相同条件下把器件ZT值提高了一倍,并且实现了143 mW/m2的功率密度。通过系统热管理(非辐射对流,面积比值等)和结构优化(热电柱的高度,横截面积,数量和填充因子等)可以进一步提高发电机的输出性能。

4 可穿戴自供能的应用:(a)概念图;(b-c)输出性能;(d)性能对比;(e-f)优化策略。

    本研究论文中受多种仿生学启发的辐射制冷器为高性能全天辐射制冷开辟了新的途径,并且基于辐射制冷的环形热电发电机在为可穿戴电子设备提供不间断电力方面显示出巨大的潜力。上海交通大学张江高等研究院博士研究生张帅和刘泽昆为论文共同第一作者,上海交通大学张江高等研究院讲席教授胡志宇和助理研究员吴振华为共同通讯作者。该项目得到国家自然科学基金项目(62201345, 51776126 和 52202179)的支持。


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