科技前沿

新型石墨烯太陽能加熱超材料

  

      近日,澳大利亚墨尔本斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)轉化原子材料中心(Center for Translational AtomaterialsCTAM)的研究人員開發了一種新型石墨烯薄膜,這種薄膜可以吸收90%以上的太陽光,同時消除了大部分紅外熱發射損失。這種高效的太陽能加熱超材料,能夠在開放環境中以最小的熱損失快速加熱到83摄氏度。该薄膜的拟议應用包括热能收集和储存、光热发电和海水淡化。

  CTAM創始董事賈寶華教授表示,在吸收太陽光的同時抑制熱輻射損失(也稱爲黑體輻射)對于高效的太陽能熱吸收器至關重要,但要實現這一目標卻極爲困難。她解釋說:“這是因爲,根據吸收的熱量和吸收體的特性,發射溫度不同,導致其波長有顯著差異。但是我們已經開發出了一種三維結構的石墨烯超材料(structured graphenemeta materials, SGM),它具有很高的吸收性,可以選擇性地濾除黑體輻射。”

  這種三維結構的石墨烯超材料由一層30納米厚的交替石墨烯薄膜和沈積在溝槽狀納米結構上的介電層組成,該結構兼作銅襯底以增強吸收。更重要的是,所述基板以矩陣排列來圖案化,以使得波長選擇性吸收的柔性可調諧性。

  石墨烯薄膜的設計吸收波長在0.282.5微米之間的光。銅基板的結構使得它可以作爲選擇性帶通濾波器,抑制內部産生的黑體能量的正常發射。這樣保留的熱量可以進一步提高超材料的溫度。因此,SGM可以快速加熱到83摄氏度。如果特定應用需要不同的温度,可以制备和调谐新的沟道纳米结构,以匹配特定的黑体波长。 “在我们之前的工作中,我们展示了一种90納米石墨烯吸熱材料,”賈教授說。雖然它可以加熱到160攝氏度,“但它的結構更爲複雜,包括四層:基底、銀層、氧化矽層和石墨烯層。我們的新雙層結構更簡單,不需要真空沈積。制造方法可擴展且成本低。” 

  這種新材料還將薄膜厚度顯著減少到三分之一而使用了較少的石墨烯,其薄度有助于更有效地將吸收的熱量傳遞到其他介質,如水。此外,薄膜是疏水性的,這有助于自我清潔,而石墨烯層有效地保護銅層免受腐蝕,有助于延長超材料的壽命。

  “由于金屬基底的結構參數是控制SGM整体吸收性能的主要因素,而不是其固有特性,因此可以根据應用需求或成本使用不同的金属,”Keng-Te Lin說,他是最近發表在《自然通訊(Nature Communications)》上的一篇关于超材料的論文的主要作者,也是Swinburne大學的研究員。他指出,鋁箔也可以用來代替銅,而不會影響性能。

  Keng-Te說:“我們利用原型機薄膜來生産清潔的水,並獲得了96.2%的令人印象深刻的太陽能-蒸汽效率。對于使用可再生能源的清潔水發電來說,這是非常有競爭力的。”

  他补充说,这种超材料还可以用于能量收集和转换應用、蒸汽发电、废水净化、海水淡化和光热发电。

  但仍然存在的一個挑戰是找到一種制造方法,使基板可伸縮。

  “我們正在與一家私營公司Innofocus Photonics Technology合作,該公司已將一台塗層機商業化,用于鋪設石墨烯和介電層,”賈教授說。“我們對此感到滿意。我們現在正在尋找一種適合大規模生産銅基板的方法。”她補充道,一種可能的方法是采用roll-to-roll工藝。

  同時,研究人員還在繼續微調納米結構設計,提高SGM的穩定性和吸收效率。“至于商業化,”賈教授說,“我們認爲這在一到兩年內是可能的。”