一種可實現大角度高效率光熱轉化的納米結構石墨烯超材料
發布者:lzx | 來源:兩江科技評論 | 0評論 | 1800查看 | 2020-03-27 14:59:17    

理想的太陽能吸收體需要100%的吸收太陽光(可見和近紅外波段)并且完全抑制由黑體輻射引起的熱損失(紅外波段)。因此,具有可調帶寬,高效的太陽光波段的選擇性吸收能力,是實現高效率的太陽能收集轉換的前提。


同時,從應用角度考慮,太陽能吸收體需要具有出色的導熱性和穩定性,而且結構簡單易于大面積生產制備。盡管在過去的文獻中已提出了多種針對太陽光波段的吸收體,但要在常規的材料和結構中同時滿足這些條件,尤其是對黑體輻射熱損失(即所收集到的熱量以輻射的形式散發到空氣中,形成不必要的熱損耗)的有效壓制具有很大挑戰性。


創新研究


最近,澳大利亞斯威本科技大學Centre for Translational Atomaterials(CTAM,轉化原子材料中心)的賈寶華教授(Prof.BaohuaJia)課題組提出了一種三維納米結構石墨烯超材料(structured graphenemeta materials,SGM),如圖1(a)所示,該納米結構石墨烯超材料利用了下方溝槽狀金屬結構的波長選擇性,以及超薄石墨烯超材料膜的寬帶無光學色散的特性與出色的熱傳導性,以實現大角度高效率的太陽能光熱轉化。


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圖1(a)3D納米結構石墨烯超材料(SGM)吸收結構的概念圖。(b)理想太陽能吸收體的吸收光譜。理想的太陽能吸收體能夠有效吸收(近乎100%的)太陽光(紅色陰影),并通過抑制熱輻射(藍色虛線)使能量損失最小化。X表示黑體的熱輻射被抑制。(c)在開放環境的陽光下,SGM吸收膜的照片(左)和熱圖像(右)。


此納米結構石墨烯超材料具有優異的太陽光譜選擇性(如圖1(b)所示)和全方向性吸收,以及出色的光熱性能和高熱穩定性。太陽能光熱轉化效率可以達到90.1%。該材料能夠高效率的加熱水以產生水蒸氣,其蒸汽轉化效率達到96.2%。


此外,這種石墨烯超材料薄膜是使用低成本可大面積生產的化學法制作的,其設備已經被Innofocus Photonics Technology Pty Ltd.商業化。其溝槽狀納米結構則使用激光納米三維打印的方法制作。因此,這種納米結構石墨烯超材料吸收膜可以實現低成本及規?;募庸ぶ谱?。


該研究團隊展示了納米結構石墨烯超材料吸收膜在太陽能光熱轉換中的優異性能,如圖1(c)所示。研究結果顯示由于石墨烯超材料吸收膜超薄(30nm)且高吸收的特性,其在太陽光照射下溫度可以迅速上升到83℃,明顯高于目前最優的厚吸收體(升溫到60℃)。這種石墨烯超材料為基于二維材料的大面積太陽能收集和強吸收光子轉換器件的研究及應用開辟了新途徑。此外,這種納米結構石墨烯超材料具有更廣泛的用途,如太陽能光熱能量轉換、海水淡化,熱發射源、光調制器、探測器等器件。


該工作發表在Nature Communications上,是賈寶華教授領導的埃米材料轉化中心(CTAM)既2019年實現90納米石墨烯完美吸收體后的又一力作。對探索石墨烯在清潔能源的高效利用方面,有實際意義。

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