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太陽(yang)能(neng)光熱(re)(re)(re)利用因其低成本、易儲能(neng)、理(li)論效(xiao)(xiao)率高(gao)等優點，成為當前科(ke)學研究和商業化的熱(re)(re)(re)點技術。太陽(yang)能(neng)光熱(re)(re)(re)轉換(huan)中的重要(yao)一步(bu)是將太陽(yang)光高(gao)效(xiao)(xiao)地(di)轉換(huan)為高(gao)溫(wen)熱(re)(re)(re)能(neng)。目前，研究者主要(yao)通過提高(gao)光學系統聚光比，設(she)計(ji)高(gao)效(xiao)(xiao)太陽(yang)能(neng)光熱(re)(re)(re)吸收板(ban)并配合真空(kong)管來(lai)達到這(zhe)一目的。

但是精密的控制機制、復雜的加工(gong)工(gong)藝、嚴苛的氣密性要求等因素制約了其進一(yi)步的大(da)規(gui)模應用。因此，如何在無需高(gao)聚(ju)光(guang)比、特殊吸收板(ban)和真(zhen)空的條件下實現高(gao)溫、高(gao)效的太(tai)陽能光(guang)熱轉換成為了一(yi)個亟待(dai)解(jie)決的難點。

陳剛教(jiao)授和(he)Evelyn Wang教(jiao)授團隊共同研發了一(yi)種新型(xing)高透(tou)光、低導熱的(de)(de)二氧化(hua)硅氣凝膠(jiao)(jiao)，大幅提(ti)高了無聚光、非(fei)真(zhen)空條件下的(de)(de)光熱轉換溫(wen)度和(he)效率(lv)。基(ji)于傳統的(de)(de)溶膠(jiao)(jiao)-凝膠(jiao)(jiao)合(he)成(cheng)工(gong)藝，通過優化(hua)孔隙(xi)和(he)粒徑大小，這種新型(xing)氣凝膠(jiao)(jiao)透(tou)光率(lv)達(da)到(dao)95%以上，肉(rou)眼甚(shen)至(zhi)難以察(cha)覺該(gai)氣凝膠(jiao)(jiao)的(de)(de)存在。

同時，這種新(xin)型氣(qi)凝膠繼承了傳統(tong)非透明氣(qi)凝膠的(de)(de)(de)高孔隙率，低密度(du)和低熱導率的(de)(de)(de)特(te)點。由于其特(te)殊(shu)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)學和熱學性質，這種新(xin)型氣(qi)凝膠可以大幅(fu)降低傳統(tong)光(guang)(guang)熱轉換系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)熱損失，并提高系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)工作溫度(du)（圖1）。

圖1：通過提升透光率和(he)降低熱(re)損失，新型高透光隔熱(re)氣凝膠大(da)幅提高光熱(re)轉換的溫度和(he)效率。

經過長(chang)期的(de)探索，由(you)陳剛教(jiao)授(shou)和(he)Evelyn Wang教(jiao)授(shou)帶(dai)領的(de)團(tuan)隊(dui)研發了(le)一種快速水解沉淀（Rapid-hydrolysis-condensation）制備二(er)氧化(hua)硅氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)方(fang)法。該方(fang)法可(ke)以(yi)精細調控氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)孔(kong)隙和(he)粒徑大小(xiao)。由(you)于傳統氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)中較(jiao)大的(de)孔(kong)徑和(he)粒徑（~20nm）會(hui)嚴重地散射(she)可(ke)見光，尤其(qi)是波長(chang)較(jiao)短的(de)藍色光，傳統氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)會(hui)呈(cheng)現出淡藍色的(de)半透明狀（透光率(lv)~70%）。經過系(xi)統性地制備參數優化(hua)，該團(tuan)隊(dui)大幅度縮(suo)小(xiao)了(le)二(er)氧化(hua)硅氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)孔(kong)徑和(he)粒徑（~6nm）并成功實(shi)現了(le)大面積、單片、高透光氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)制備（圖(tu)2）。這種新(xin)型氣(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)同時具有低(di)密(mi)度（100-200kg/m3）、低(di)熱導(dao)率(lv)（0.02-0.1W/mK）和(he)耐(nai)高溫(wen)（700°C）等特點(dian)。

圖2：高透光氣(qi)凝(ning)膠(jiao)樣(yang)品與玻璃載玻片透明(ming)度對比，(a)光學照片，(b)紫外(wai)-可見光-近紅外(wai)光譜

利用(yong)(yong)(yong)這種新(xin)型氣(qi)(qi)凝膠(jiao)，該(gai)團(tuan)隊實現了自然太陽光(guang)(guang)（非(fei)聚光(guang)(guang)）、無真空條(tiao)件下獲(huo)得265°C（室內(nei)）和220°C（冬(dong)季(ji)室外，圖3）高(gao)溫的試驗結果。這一成果開辟了一條(tiao)太陽能(neng)(neng)光(guang)(guang)熱(re)(re)利用(yong)(yong)(yong)的新(xin)思路。例(li)如(ru)，傳統(tong)非(fei)聚光(guang)(guang)太陽能(neng)(neng)集熱(re)(re)器(qi)被(bei)大(da)量應用(yong)(yong)(yong)于家(jia)用(yong)(yong)(yong)熱(re)(re)水器(qi)。通(tong)過加入(ru)這種新(xin)型氣(qi)(qi)凝膠(jiao)，這些(xie)低成本太陽能(neng)(neng)集熱(re)(re)器(qi)不再(zai)受限(xian)于提供熱(re)(re)水（~80°C），而是可以提供價值更高(gao)的工(gong)業(ye)用(yong)(yong)(yong)熱(re)(re)、冬(dong)季(ji)取暖用(yong)(yong)(yong)熱(re)(re)等等。通(tong)過進一步優化和規(gui)模(mo)化生產，這種新(xin)型氣(qi)(qi)凝膠(jiao)的生產成本有望大(da)幅(fu)降低，使(shi)其擁有更加廣(guang)闊的應用(yong)(yong)(yong)前景(jing)。

圖(tu)3：(a)氣凝膠太陽能(neng)光熱收集(ji)裝置戶(hu)外試驗照片（地(di)點：麻省(sheng)理(li)工學(xue)院樓(lou)頂平(ping)臺），(b)試驗過程(cheng)中太陽能(neng)吸收板溫度，環境溫度和太陽輻(fu)射強度數據(ju)

以(yi)上(shang)成(cheng)果以(yi)“Harnessing Heat Beyond 200°C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”為(wei)(wei)(wei)題發(fa)表(biao)在(zai)ACS Nano。論文(wen)的第一作者(zhe)為(wei)(wei)(wei)麻省理(li)工學院(yuan)博士生趙霖(lin)，共同通訊作者(zhe)為(wei)(wei)(wei)麻省理(li)工學院(yuan)的陳剛教授(shou)和(he)Evelyn Wang教授(shou)。關于(yu)這種(zhong)新型氣凝膠的制備、理(li)論計算(suan)和(he)其他應用的相(xiang)關文(wen)獻已發(fa)表(biao)于(yu)Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊(kan)。