摘要：光热转换是指通过反射、吸收等方式将太阳光能转换为热能，从而被人类加以利用，是目前人类利用太阳能的主要方法之一。相变储热材料通过可逆相变实现热量的储存与释放，具有储热密度高、储放热过程恒温等优点。将相变储热材料与光热转换技术结合，不仅能有效储存光热转换得到的热能，还能控制储放热温度，为热能的精准高效利用提供便利，因此成为光热转换技术的理想匹配材料。

本工作根据化学组成的差异，对当前光热转换领域中应用的相变储热材料进行分类介绍，包括光热转换相变储热材料的应用机制和应用领域，最后总结了当前光热转换相变材料存在的问题，并对新型光热转换相变材料的未来研究方向进行了展望。

关键词：相变材料；光热材料；光热转换；储热原理

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前言

热能是人类社会能源消费的主要形式。根据国际能源机构(IEA)和《世界能源统计年鉴》数据，热能(包括用于供暖、工业过程、发电等的热能)在全球能源消费总量中占比常年维持在40%~50%之间。太阳光作为地球上许多能源的基础来源，直接转化为热能的利用方式相较于转化为其他形式的能源具有显著优势，不仅可以实现能源的直接利用，还具备更高的转化效率和更低的转化成本。因此，可将太阳光能直接转化为热能的光热材料受到广泛关注^[1]。光热材料具有强太阳光吸收或表面等离子体共振等特性，可以将接收到的太阳光能转化为热能，并在光热转换系统中得到广泛应用。当前光热转换技术应用和发展受限的主要原因如下：一方面，高度依赖天气条件，阴天或夜间无法得到有效利用；另一方面，热能储存相对复杂，尤其是在大规模应用中，需要更加高效和便于利用的热能储存系统^[2]。

相变储热材料通过相态变化储放热量，因而具有储放热温度基本恒定和储热密度高的优点^[3]。将光热转换系统与具有合适熔点的相变储热材料结合联用，不但能克服太阳辐射在时间和空间上的不稳定性，还能实现优异光热转换性能和高蓄热能力的完美结合，同时相变储热材料在基本恒温条件下储存和释放热能这一特性为进一步高效利用热能和简化热能利用装置提供了更多可能^[4]。这种与相变储热材料结合的光热转换系统的原理是先利用光热材料将太阳光能转化为热能，部分热能用于相变储热材料的升温和驱动相变，然后以相变潜热的形式将热能储存起来。当太阳光消失后，储存的热能可在降温过程中逐渐释放，以维持生活和生产的需要。近年来，光热转换和相变储热结合所展现的显著优势引起材料学届的广泛关注，逐渐成为行业研究的热点之一。研究应用在光热转换领域的相变储热材料不仅有助于设计出更加高效节能的光热转换系统，还能推动太阳能的高效利用。可以预见，随着地球化石能源储量日益减少和对太阳能利用的重视程度不断提升，新型太阳光光热转换存储联用技术的开发在不久的将来必将步入快车道。

本工作对光热转换领域中的不同化学组成的相变储热材料进行了分类总结，并简要介绍了光热转换相变材料在建筑、发电、纺织、医疗和海水净化领域的应用，以期对制备新型的光热转换相变材料有所启发，继而推动光热转换技术的发展和大规模商业化应用。

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相变储热材料在光热转换中的分类与特性

实际应用中，太阳光在传播过程中会因太空和大气层的吸收而衰减，夏季晴天时，地表接收的太阳光强度约为100 mW/cm2，因此，该强度被定义为一个标准太阳光强度^[5]。由于热传递的存在，光热材料在一个标准太阳光下所能达到的最高温度有限，一般不会超过100℃。在光热转换领域，大多数系统属于低温类型。为适配实际应用需求并使工作温度达到相变储热材料的熔点，学者们通常会选择相变温度处于40~70℃区间的低温相变储热材料，只有少数中高温光热转换系统才会选择中温或高温相变储热材料。这些相变储热材料大多均为固-液相变材料，然而熔化时液相容易发生泄露。因此，在用于光热转换时，通常会将其封装在多孔材料或微胶囊中，制成形状稳定的相变材料。同时为了进一步提高传热速率，封装结构通常需要具备较高的导热性能。相变储热材料的性能在很大程度上取决于封装材料的化学组成，因此，本工作将基于材料的化学组成，介绍应用于光热转换领域的相变储热材料。

2.1无机相变储热材料

光热转换领域中使用的无机相变储热材料主要为结晶水合盐，这是因为结晶水合盐的相变温度通常在100℃以下，同时还具有储热密度高、导热系数高、安全可靠等优势^[6]。尽管结晶水合盐存在过冷及相分离的缺点，但通过添加少量助剂可在一定程度上改善这些问题，因此其在光热转换领域应用较为广泛，主要用于光热发电和个人热管理等领域。

Xiao等^[7]以将Na2HPO4⋅12H2O作为三水合醋酸钠(SAT)的成核剂，使用浸渍了氧化石墨烯(GO)的三聚氰胺泡沫(MF)对其进行吸附，制得形状稳定的MF/GO/SAT光热转换相变材料。GO的加入大幅提高了MF/GO/SAT的光吸收能力，使其可以作为太阳光驱动温差发电系统中的稳定热源；SAT则为其提供了251.9 J/g的高潜热，完全相变后内部储存的热能可以在太阳光消失后依然稳定输出约10 h的电力。胡雯雯^[8]使用十水硫酸钠(SSD)、聚丙烯酰胺水凝胶和MXene纳米片合成了一种柔性的相变水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶和MXene纳米片的加入为水凝胶提供了良好的柔性和光热转换性能，而SSD的相变温度仅有35.7℃，使得水凝胶在35℃左右即可发生相变。光照后，MXene纳米片转换的热能一部分用于升高温度，一部分用来驱动SSD发生相变，从而控温在35℃左右，且SSD中储存的热量还能延缓无光照时的温度下降。因此，这种柔性相变水凝胶在人体的穿戴热管理和医疗保健领域具有很大的应用潜力。

此外，可利用无机水合盐的过冷效应，将其制备成触发式光热相变材料，使其能够长时间储存热能，并在适当时刻发生相变，以释放潜热。Liu等^[9]使用聚丙烯酰胺水凝胶吸附SAT，再结合高光吸收能力的聚多巴胺制得一种新型SPP(S代表三水合乙酸钠，P代表聚丙烯酰胺，P代表聚多巴胺)相变水凝胶。经过测试发现，该相变水凝胶具有良好的柔性和形状稳定性，聚丙烯酰胺与SAT之间形成的氢键保证了相变水凝胶的过冷稳定性，通过电触发可以控制SAT的结晶和潜热的释放。当将这种相变水凝胶嵌入建筑屋顶时，白天能够吸收热量防止建筑物过热，夜晚则通过电触发释放潜热[图1(a)和1(b)]，从而有效调节建筑物内部温度。

图1 SPP复合材料调节屋顶温度的照片和红外图像：(a)白天；(b)夜晚^[9]

Fig.1 Photographs and infrared images of SPP composite roof thermoregulation:(a)daytime;(b)nighttime^[9]

结晶水合盐通过水分子的结合与脱离实现热能的储存和释放，在热能存储及传输方面展现出显著优势，将其应用于光热转换领域能有效克服太阳能的不稳定性。然而，这类材料目前仍存在一些不足：其一，热循环稳定性较差，在多次光热循环过程中易发生结晶析出，部分水合盐会因失水导致储热性能下降；其二，部分结晶水合盐对金属有一定的腐蚀性，因为当水合盐熔化后，会溶于析出的结晶水中，形成的溶液可能与金属发生反应，进而损坏光热转换系统。

2.2有机相变储热材料

常见的有机相变储热材料主要包括石蜡、脂肪酸和多元醇材料，这类材料多属于低温相变储热材料，与无机相变储热材料相比，它们具有腐蚀性低、热性能稳定、过冷度小、无相分离等显著优势，非常适用于低温光热转换系统，已在建筑控温、光热发电、光热治疗、海水净化等领域得到广泛应用^[10,11]。

2.2.1石蜡类

石蜡(PW)是由原油蒸馏获得的烃类混合物，主要由直链正构烷烃CH3-(CH2)n-CH3组成。对于偶数碳链石蜡，随着链长增加，分子间范德华力增强，其熔点逐渐升高，因此多数光热转换系统可匹配到适宜熔点的石蜡。而奇数碳链石蜡因分子堆积疏松，分子间作用力弱，熔点不稳定，故光热转换领域应用的石蜡类相变储热材料多为偶数碳链石蜡^[12]。

Li等^[13]将PW包封在金属微胶囊中，然后使用层状MoS2对微胶囊进行改性，制备了可光热转换的相变微胶囊。研究表明，当MoS2使用量为10wt%时，相变微胶囊几乎不会发生泄漏，热响应和光吸收速率得到有效提升。此外，PW的加入可使该相变微胶囊制成的太阳能集热板有效储存热能，并在光照消失后继续输出，其集热效率比未添加PW的集热板提高5.22%。Luo等^[14]先使用膨胀石墨(EG)对PW进行真空吸附，吸附完成后将其粉碎成微小颗粒，再用真空吸附将炭黑(CB)吸附到颗粒表面。EG的多孔结构使PW牢牢吸附在孔隙中而不发生泄漏，同时提高了导热性，表面的CB使复合材料具有良好的光吸收性。在一个太阳光强度的光照测试中，复合材料可以快速地将光能转化成热能储存起来，完全相变后储存的的热量可明显减缓无光照时的温度下降速度，控温时间约为2000 s。Dai等^[15]将阿拉伯胶(GA)加入多壁碳纳米管(MWCNT)的悬浊液，使其分散均匀，然后将柔性的MF浸入其中，再使用引入了MWCNT的MF对PW进行物理浸渍，成功制备了具有热柔性和热形状记忆功能的光热转换相变材料，制备流程如图2(a)和2(b)所示。得益于MF和MWCNT提供的高柔性和高光热转换能力，MWCNT/MF/PW在光照或受热时表现出良好的热柔性和热形状恢复性，折叠的MWCNT/MF/PW在氙灯照射下仅280 s即可恢复到原始舒展形状[图2(c)]。PW的加入使MWCNT/MF/PW具有240.7 J/g的高潜热，作为控温材料包裹水箱时，使水箱温度从50℃降低到33.6℃的速度减缓19.61%。

图2(a)MWCNT悬浮液的制备流程；(b)MWCNT/MF/PW的制备流程；(c)MF/PW和MWCNT/MF/PW光照后的形状恢复^[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脂肪酸类

脂肪酸类相变储热材料多提取自植物油或动物脂肪，属于生物基相变材料^[16]。其中硬脂酸(SA)、月桂酸(LA)、棕榈酸(PA)等的熔化温度为30~65℃，潜热为153~210 J/g。这类材料因具备适宜的相变温度与较高的潜热，成为光热转换领域的理想候选材料^[17]。

Zhou等^[18]采用纳米Al2O3/环氧树脂作为前驱体，经过真空高温碳化制得的改性三维多孔碳泡沫(SGF)作为骨架，以SA为相变材料，制备了一种形状稳定的SA/SGF复合相变材料。SGF为复合材料提供了良好的形状稳定性，内部的多孔碳层可以减少光线的反射，在所有波长范围内都表现出较强的光吸收能力。得益于SA的高储热密度，复合材料具有接近167.6 J/g的高潜热，能够在光照时储存大量热量，在光热电转换系统中可以作为稳定的热源使用。Wu等^[19]设计了一种双层的光热转换相变材料，上层用于高效的光热转换，由LA、十二烷基硫酸钠(SDS)和CB组成，下层则负责高效导热和储存热量，是由EG和LA组成的复合材料。由于上层的CB具有很强的光吸收能力，双层材料的升温速率比单层EG/LA复合材料提高36%。LA的存在使双层材料具有优异的储热性能，在冬季太阳能建筑的温控场景中，其内部储存的热量能够将室内温度长期维持在18~28℃之间，有效降低了供暖能耗。Kateshia等^[20]分别制作了以SA,LA,PA相变材料为储热材料的太阳能蒸发器，并将其与不加储热材料的传统太阳能蒸发器进行了对比。测试结果表明，无论是冬季还是夏季，三种含相变材料蒸发器的淡水生产率均比传统蒸发器更高。这是因为在光照条件下，蒸发器中的镀锌铁板所转换的热能部分存储在相变材料中，而储存的热能在夜晚释放，从而提高了淡水生产率。

2.2.3多元醇类

多元醇是具有多个羟基的有机化合物。其中，聚乙二醇(PEG)具有易于调节分子量，从而调节相变温度和潜热的特性，在光热转换中表现出色^[21]。但其他多元醇在高温下可能发生自氧化，不利于光热转换。

Li等^[22]利用高温浸渍法将PEG-800包覆于改性木质纤维中，制备了一种应用于调控建筑墙体温度的复合相变材料。由于改性后的木质纤维具有更高的光吸收能力，而PEG-800的熔点仅为22.91℃，在模拟光照实验中，该复合材料易于达到其熔点。因此，当该复合材料作为墙体材料使用时，建筑内部的温升和降温过程均显著延缓，从而能够有效地将温度维持在人体舒适的范围内。Gu等^[23]使用三种不同分子量的PEG与EG复合，并将其集成到太阳能蒸发器中用于提高淡水生产率。通过比较三种复合材料的性能，发现当PEG分子量为1500时，PEG/EG复合材料具有最适宜的相变温度和相变潜热，能够迅速在光照下将能量蓄满。储存的热能可使PEG-1500/EG蒸发器在黑暗时仍能持续工作，与普通蒸发器相比，其光-蒸汽转换效率提高24.3%。Shi等^[24]使用原位聚合法制备了一种含PEG-3000的聚氨酯(PU)基柔性相变材料，并在其中引入碳纳米管(CNT)，形成了一种新型PU-CNT复合材料。CNT的掺入显著提升PU-CNT复合材料的光热转换性能。如图3(a)所示，在75~125 mW/cm2的模拟太阳光照射下，复合材料能够迅速升温并发生相变，光热转换效率最高达到85.89%[图3(b)]。此外，得益于PU和PEG的加入，PU-CNT复合材料表现出优良的柔性和控温性能[图3(c)和3(d)]，蓄满热量后的降温阶段在37℃附近出现明显的控温平台，在未来的可穿戴智能温控领域展现出较大的应用潜力。

图3(a)PU-CNT复合材料在75~125 mW/cm2模拟太阳光照下的光热转换曲线；(b)计算得出的PU-CNT复合材料的光热转换效率与照射光功率的函数关系；(c)太阳光照射柔性PU-CNT复合薄膜以用于人体热管理的示意图；(d)PU-CNT复合薄膜和棉织物贴在人体手臂皮肤上加热至50℃后的时间-温度变化曲线^[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]

有机相变储热材料具备稳定的热性能、可调节的相变温度和潜热特性，且无需添加降低抑制过冷和相分离的助剂，制备过程相对简便，因此在光热转换领域中得到广泛应用。但是，有机相变储热材料主要由烃类化合物构成，在高温条件下存在燃烧风险；且仅能在温度较低时保持良好的热性能，长期在光照下高温使用容易导致热降解。因此，如何提高有机相变储热材料的燃烧安全性和高温下的热稳定性，需要科研人员进一步研究。

2.3共晶相变储热材料

共晶相变储热材料是由两种或两种以上相变储热材料复合而成的一种新材料，主要包括结晶性质相似的二元或多元化合物的一般混合体系或低共熔体系等^[25]。通过调整不同相变储热材料的比例，可以获得适宜的相变温度和相变潜热，从而更好地应用于实际情况。然而，共晶相变储热材料的制备过程通常较为复杂，且在熔融时易出现多个熔化峰，因此其与光热转换技术的结合仍主要停留在实验室研究阶段。

Xi等^[26]通过冷冻干燥和高温碳化制备出一种多孔壳聚糖基碳气凝胶(CA)，以其为支撑材料共晶浸渍MgCl2⋅6H2O和NH4Al(SO4)2⋅12H2O，并添加ZrC提高其光吸收能力，成功制备了C-PCM/CA(C-PEG为碳基相变材料)光热复合相变材料。当MgCl2⋅6H2O和NH4Al(SO4)2⋅12H2O的质量比为3∶7时，C-PCM/CA的潜热达到最大，为214.8 J/g，在建筑物的储能控温领域具有很好的应用前景。Kalidasan等^[27]将二维MXene纳米材料掺入Na2SO4⋅10H2O(SSD)和Na2HPO4⋅12H2O(SPDD)组成的二元共晶体系中，制备了一种新型MXene SSD/SPDD复合相变材料。结果表明，该复合材料的相变潜热高达215.5 J/g，且具有更高的光吸收能力和导热性能，适用于动态热管理系统。Li等^[28]通过激光雕刻增强木材的光热转换能力，再以雕刻后的木材作为基材吸附葵酸-硬脂酸共晶相变材料，制备出一种能自动调节温度的复合材料。研究表明，该复合材料的熔点约为33℃，作为木地板使用时，可有效减少室内温度波动，降低4%~8%的建筑能耗。

目前，对共晶相变储热材料的研究主要集中在无机-无机和有机-有机共晶结合，而对于有机-无机共晶的研究较少。然而，开发新型的有机-无机共晶相变材料具有重要的研究价值和应用前景。这种材料不仅能够优化传热性能和提升储热密度，还能有效缓解单一材料在高温条件下可能出现的热失效问题，十分适用于光热转换领域。因此，有机-无机共晶相变材料亟待相关科研人员的研究和开发。

不同类型的光热转换相变材料的性能对比见表1。

表1光热转换相变材料性能对比

Table 1 Performance comparison of photothermal conversion phase change materials

3光热转换相变材料的应用领域

光热转换相变材料同时兼具高光热转换性能和高效的储热性能，能够有效克服太阳能的间歇性。随着相变储热材料在光热转换领域研究的不断深入，光热转换相变材料如今已经被广泛应用到建筑节能、太阳能发电、纺织品调温、医疗、海水净化等诸多领域^[29]。

3.1建筑节能领域

在现实环境中，白天太阳辐射会使建筑物内部温度升高，夜间太阳落山后则逐渐下降。这种显著的昼夜温差波动不仅会对生产活动造成不利影响，也会降低居住环境的舒适性。通过将光热转换相变材料与墙体、屋顶和混凝土等建筑构件结合，可以在白天储存太阳光照产生的热量，并于夜晚释放。该材料在恒定的温度下储放热量，能够有效减少建筑内部的温度波动，满足人们日常生活和生产中的建筑控温需求^[30]，且该材料依靠太阳能驱动，无需额外能源，从而能够显著降低建筑控温所需的能源消耗。此外，由于人体在接近26℃的温度下最为舒适，因此在建筑领域中应用的光热转换相变材料的相变温度通常在20~45℃之间^[31]。Zhang等^[32]先将纤维素水凝胶浸泡在含不同浓度Fe2+和Fe3+的溶液中，然后浸入NaOH溶液，将Fe3O4引入纤维素水凝胶，最后将其浸入熔融状态的PEG-2000中完成溶剂交换，成功制备出Fe3O4-C-PEG光热转换相变材料。引入的Fe3O4显著提升了光吸收性能，在Fe2+和Fe3+浓度为0.2 mol/L的条件下，0.2Fe3O4-C-PEG复合材料的光热转换效率达到86.7%。将该材料涂覆在模型房屋顶上，可以在白天通过光热转换熔化并储存热能，夜间凝固释放热能[图4(a)]。与未经处理的模型房相比，该材料能够将室内温度维持在较小的波动范围内，如图4(b)所示。陈亚南^[33]使用高温碳化处理后的向日葵秸秆对PW进行真空浸渍，随后将制备的复合材料与水泥砂浆混合，形成CEM/C-PCM复合材料，并将其作为建筑保温层。模拟测试表明，使用CEM/C-PCM复合材料的墙体具有更好的保温性能，在144 mW/cm2的光照下照射90 min后，墙体温度降至36℃所需的时间比仅使用水泥砂浆的墙体延长了34.61 min。Zheng等^[34]使用水热碳化法制备了具有介孔结构的热液碳球，并采用真空吸附技术将PEG引入碳球内部，随后利用高压静电场法将纳米银沉积在碳球表面。通过在混凝土中添加该复合相变材料，得到兼具光热转换和热能存储功能的建筑材料。该材料具有147 J/g的储热密度和优异的光热转换性能，在绿色储能建筑领域具有广阔的应用前景。

图4(a)模型房屋热调节示意图；(b)10次光照循环后未覆盖和覆盖0.2 Fe3O4-C-PEG的模型房屋的循环温度变化曲线^[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太阳能发电领域

目前主流的光热发电方式是使用平板集热器将光能转换为热能后，再使用基于塞贝克效应的发电片或发电装置将热能转换为电能，是一种极具潜力的发电方式。这种发电技术的功率输出依赖于热电元件两端的温度梯度，热侧温度的频繁波动会导致热电转换过程不稳定，甚至可能对热电转换系统造成损害^[35]。与相变储热材料相结合的光热发电系统模型如图5所示，该系统能够将多余的太阳能转换成热能储存在相变材料中，不仅可以有效减弱太阳照射的变化性，将热侧温度控制在稳定范围内，减少热波动和热冲击对热电系统的损害，降低电流输出的波动性，还可以将储存的能量在无光照时释放，有效延长发电时间，缓解太阳能发电的间歇性问题，使其更好地满足实际应用需求。Wang等^[36]将相变储能材料应用于热电发电机的热侧，并与未使用储能材料的热电发电机进行对比研究。结果表明，相变储能材料的使用虽使输出功率略微降低，但能有效抑制热侧温度波动，从而对无变压器保护的电气设备起到保护作用。此外，储存的热量能够延长两侧温差的维持时间，从而增加功率输出的持续时间。Luo等^[37]将熔点为60和90℃的PW作为储热介质应用于太阳能热电发电机中，在实际太阳光照下，PW的引入能够有效稳定热流波动，从而确保热电转换设备实现持续稳定运行，并且其最大稳定运行时间可达12.96 h。杨晓娇^[38]通过实验对比了光热发电系统在有无相变储热材料条件下的性能差异。结果显示，在辐射照度为800±50 W/m2、流量为0.15 m3/h、室内温度为28℃的环境中，添加相变储热材料的系统发电效率和光伏光热综合性能效率相较于传统水冷系统可分别提高16.9%和19.9%。

图5与相变储热材料结合的光热发电系统模型

Fig.5 Model of photovoltaic power generation system combined with phase change thermal storage material

使用平板集热器的光热发电系统只能接受局部区域的太阳能，能够达到的最高温度通常较低，一般采用低温相变材料作为储热介质。而聚光式光热发电系统通过使用多个反射镜将太阳光集中至聚光塔，能够达到较高温度，其储热介质一般为中高温相变材料^[39]。胡先锋^[40]将相变温度为165℃的甘露醇(DM)与CB混合后球磨3 h得到CB/DM光热转换相变材料，研究其表面吸收和体积吸收对光热转换效率的影响，两种吸收方式见图6。在光照测试下，体积吸收相较于表面吸收具有更低的上下温差和更高的平均温度，更有利于光热转换效率的提高。当应用于光热发电系统时，体积吸收所产生的开路电压为0.66 V，高于表面吸收的0.40 V。同时，DM的存在使两个系统的有效发电时间均得到显著延长。Chang等^[41]设计了一种高温熔盐，用于相变热存储材料的新型太阳能-热能-电能采集系统，经过测试发现，该转换系统的整体效率达到2.56%，高温熔盐的热存储可以实现在白天储能，并在夜晚释放，以供照明和取暖。

图6表面吸收和体积吸收的两种太阳能吸收器模型^[40]

Fig.6 Models of two types of solar absorbers:surface absorber and volumetric absorber^[40]

3.3纺织品调温领域

纺织品在人体与环境的热交换中起着关键作用，因此需具有一定的热舒适性。与光热转换相变材料结合的智能纺织品不仅能够在恒定温度下实现太阳能向热能的高效转换，通过可逆相变提升人体热舒适性和减少供暖能耗，还能够根据外界环境变化自动调节热量储存和释放的功能，可以实现热性能的自适应调节。为确保安全性和经济性，应用于纺织品领域的相变储热材料通常选择相变温度在15~35℃之间的有机相变材料^[42]。Liu等^[43]设计了一种以正二十烷为内核、CaCO3为外壳的相变微胶囊，并在其外壳中引入Fe3O4以增强光吸收性能。该相变微胶囊在辐射强度为300 mW/cm2的模拟光源下照射150 s后，温度低于66℃，并且在35~40℃区间的升温速率明显减缓。而未添加正二十烷的复合微球在相同条件下照射150 s后迅速升温至71℃，这表明该复合微胶囊涂层织物具有优异的温度调节功能。Zhao等^[44]开发了一种由二维MXene材料、CNT、PW和棉织物组成的新型多层织物，将其作为个人热管理智能穿戴设备，如图7(a)所示。该织物不仅具有高效的光吸收能力，还展现出优异的潜热储存和隔热特性，能够精确调控人体温度。当将其固定在假人胸前和左臂区域时，在光照条件下能够使覆盖部位的表面温度升至50℃以上，并在无光照时通过释放储存的热能来调节温度[图7(b)和7(c)]。Zhang等^[45]通过在CNT纤维膜上沉积TiO2，成功制备了具有多尺度结构的TiO2/CNT复合纤维毡，并将其用作五元共晶脂肪酸的载体材料。测试结果显示，该复合材料的熔点约为16℃、相变潜热约为100 J/g，使用该材料制成的复合织物在16~28℃的升温过程中比纯棉织物升温速度更慢，表明其具备优于纯棉织物的温度调控性能。

图7(a)多层织物作为个人热管理智能穿戴设备的示意图；(b)带有多层织物的人体模型180 s模拟阳光照射后的红外图像；(c)移除模拟阳光15s后的红外图像^[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医疗领域

光热治疗(PTT)是一种通过光热剂在光照下产生热能，对微生物细胞膜上的蛋白质或酶实施不可逆的破坏，从而实现杀菌的技术。当PTT与高生物相容性的相变储热材料结合使用时，不仅可以减少热量散失，防止周围健康组织的损害，还可通过调控光照使相变材料熔化，从而精准控制药物释放的时机和速率，实现更高效的伤口灭菌^[46]。Yuan等^[47]使用纳米沉淀法将硫化铜(CuS)、抗癌药物(DOX)和近红外染料(MBA)与相变材料结合，合成了一种用于抗癌的光热复合相变材料(CuS-DOX-MBA PCM)。如图8(a)和8(b)所示，该复合材料与DOX和MBA具有相同的可见-红外光吸收峰和发射峰，当暴露于波长为808 nm、强度为0.5 W/cm2的近红外激光照射下时，材料会熔化并释放内部药物[图8(c)和8(d)]。Kim等^[48]开发了一种嵌段共聚物复合胶束，主要由相变材料LA、光热金纳米粒子和药物组成。为了提高生物相容性，还加入了可生物降解的聚己内酯和超支化PEG。这种复合胶束可实现非侵入性的透皮给药，通过调控光照时间，可以精确调节LA的熔化过程，从而控制药物的皮下释放速率，显著改善了药物的皮肤渗透性。樊璐^[49]通过将黑磷纳米片与相变明胶、卡拉胶等物质混合，制备了一种直径约为285μm的光热相变纳米微球。在1.2 W/cm2的近红外光源下垂直照射60s后，这种微球会熔化并释放内部药物，可以实现药物的长期可控释放。

图8(a)CuS,DOX,MBA和CuS-DOX-MBA PCM的吸收光谱；(b)CuS,DOX,MBA和CuS-DOX-MBA PCM的荧光光谱(插图是765 nm激发下CuS和CuS-DOX-MBA PCM的荧光光谱)；(c)以0.5 W/cm2的功率密度激光照射时CuS-DOX-MBA PCM的累积DOX释放量；(d)以0.5 W/cm2的功率密度激光照射时CuS-DOX-MBA PCM的累积MBA释放量^[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海水净化领域

通过光热转换技术生成水蒸气进行海水净化处理，可有效生产高纯度淡水和盐分，缓解水资源短缺和水污染问题，是一种具备高效能及节能特性的技术手段。传统太阳能蒸发器通常漂浮于水面，其光热转换产生的热能一部分用于加热海水产生蒸汽，另一部分则通过热辐射、热传导、热对流等方式散失，如图9^[50]所示。此外，传统太阳能蒸发器的蒸发效率会因太阳辐射的间歇性变化而大幅降低^[51]。将太阳能蒸发器与相变储热材料结合，不仅可以减少热损失，还能有效缓解蒸发过程中的温度波动。多余热量可被储存并在夜间释放，从而实现海水净化的全天候运行，最终提高整体蒸发效率^[52]。Meng等^[53]制作了一种可净化微塑料的太阳能海水蒸发器，该蒸发器以亲水性PEG-4000为相变材料，MoS2为光热转换增强剂，具有还原氧化石墨烯涂层的生物质海绵为吸附材料。这种新型蒸发器可以实现全天候的海水蒸发，与不加相变材料的传统蒸发器相比，对海水的全天蒸发量提高了42%，可以有效去除海水中的微塑料污染物。曹旭蕾^[54]通过聚丙烯酸吸附PEG，并通过引入GO和纳米Ag提升光热转换性能，制备出一种具备优异蒸发特性的光热转换相变材料。该材料的光吸收率达到95.4%，在光照和无光照条件下，其蒸发速率相比未掺入PEG的复合材料分别提高0.10和0.27 kg/(m2·h)。Arunkumar等^[55]以负载石墨烯纳米片的壳聚糖基气凝胶为载体吸附大豆蜡，并将其集成到球形太阳能蒸馏器中。这种新型组合不仅显著提高了太阳能光吸收效率，即使在多云天气下，也能实现淡水的快速、连续生产，同时显著降低了淡水生产成本。

图9太阳能界面蒸发过程中的能量流动示意图^[50]

Fig.9 Schematic of energy flow during evaporation at the solar energy interface^[50]

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结语与展望

相变储热材料具有高储热密度和储热过程可控的优势，与光热转换系统结合可有效解决储热难题，减少热能输出的不稳定性，在光热转换领域展现出广阔应用前景。经过学者们的深入研究，光热转换相变材料已在建筑节能、太阳能发电、纺织品调温、医疗及海水淡化等诸多领域得到广泛应用。本工作主要介绍不同化学组成的光热转换相变材料，并简要概述其在各个领域的应用。目前，光热转换相变材料面临的挑战主要包括以下几个问题：

(1)光热转换与相变温度匹配问题：受热传导和热辐射影响，光热材料在实际太阳辐照下的最高温度存在上限，与其结合的相变储热材料的熔点必须低于该温度，否则无法发生相变，仅能存储少量显热；

(2)导热性问题：较高的导热性虽能促进热量向相变储热材料传递，但也会导致热量快速散失，不利于热量在相变储热材料中的积累；

(3)安全性问题：尽管在光热转换应用中通常将相变材料制成形状稳定的固-固相变材料，但经过多次相变后可能会发生泄漏。此外，有机相变材料通常具有可燃性，使用过程中存在燃烧风险。

因此，未来的光热转换相变材料应根据具体应用选择具有适宜熔点、潜热及导热系数的相变储热材料。此外，应探索设计光热材料与相变储热材料的分层结构，使其能够与多种相变储热材料高效结合，减少昂贵的光热材料用量以实现成本优化；同时，应重视材料的可持续性和环境友好性，从而推动相变储热材料在光热转换领域的深入研究与应用，实现更高效可靠和可持续的光热能转换技术。

作者：西北航¹ 胡昊¹ 张皓寒¹ 杨梦旋¹ 周宇¹ 王宏宇² 俞海云¹ （1.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116）

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224344