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                  靈感來自玫瑰、玉米秸稈 新型材料光熱轉換效率創新高
                  2021-02-03 15:57:51   來源:科技日報
                  內容摘要
                    花苞狀玫瑰碳材料的內壁像一顆洋蔥頭,只有一個很小的開口,照進來的光被限制在這個“小口袋”里,光熱從小口“逃逸”出去的幾率小很多,從而提高了光熱轉換效率。  ——萬艷芬 云南大學材料與能源學院副教授  近幾十年來,淡水資源缺乏和能源危機已成為全球范圍兩個急需解決的問題。預計到2025年,將有近三分…

                    花苞狀玫瑰碳材料的內壁像一顆洋蔥頭,只有一個很小的開口,照進來的光被限制在這個“小口袋”里,光熱從小口“逃逸”出去的幾率小很多,從而提高了光熱轉換效率。

                    ——萬艷芬 云南大學材料與能源學院副教授

                    近幾十年來,淡水資源缺乏和能源危機已成為全球范圍兩個急需解決的問題。預計到2025年,將有近三分之二的國家陷入淡水短缺的困境。與此同時,化石能源枯竭和使用化石燃料造成的環境污染也困擾著人類。

                    為了緩解淡水資源的短缺以及能源危機,人們對利用太陽能等綠色能源來生產淡水和發電充滿期待。但支撐這個美好愿景的是高效光熱轉換材料,它必須同時具備高太陽能吸收性、高光熱轉換性、低成本以及良好的穩定性。

                    科技日報記者1月28日從云南大學獲悉,該校材料與能源學院副教授萬艷芬、楊鵬團隊結合學科優勢和區域產業優勢,在制備具有優異光吸收性和更高光熱轉換效率的復合材料方面取得進展,最新一期《納米能源》期刊發表了他們的研究成果。

                    在稀貴金屬王國淬煉高效光熱材料

                    數十年來,科研工作者對不同的光熱材料進行了研究,并在一些區域形成了產業集群。

                    “傳統的太陽能集熱器裝置,是以納米流體為集熱介質,它對太陽光輻射的吸收有限,并且對外熱損失較大,導致光熱轉換效率很低,其實際應用非常受限。”萬艷芬告訴記者,近年來“界面太陽能光蒸汽系統”引起了廣泛關注,該系統可以通過吸收器和蒸發器的優化構筑,實現高效水凈化處理、能源捕獲與熱管理、衛生滅菌以及發電。光熱材料作為該轉換系統的核心,其創新型構筑尤為關鍵,如何設計和制備優異的光熱材料以實現高效的光蒸汽轉化至關重要。

                    影響系統光熱轉換效率的因素有很多,光熱材料的作用尤為關鍵。萬艷芬研究組通過云南省稀貴金屬材料基因工程研發的大數據和高通量制備平臺,利用云南稀貴金屬原料富集、產業鏈完善的優勢,對等離子體貴金屬、半導體和碳基材料進行復合研究。

                    “由于三者的協同效應,使得金-鉬酸鉍-碳點復合材料具有97.1%的光熱轉換效率。特別是金納米錐和碳點的加入,能讓電子由鉬酸鉍轉移到金錐和碳點的表面,有效地抑制了鉬酸鉍中電子-空穴對的復合,從而極大地增強了材料的光熱性能。”楊鵬向記者介紹。

                    此外,將復合材料沉積在商用溫差發電片上,可制成太陽能溫差發電器件。結果顯示,該器件具有增強的熱電性能,其輸出功率高達每平方厘米97.4微瓦。這為高效光熱轉換材料的研究提供了重要實驗依據,同時也為海水淡化和新能源器件及系統研發帶來了新思路。

                    從大自然中獲取材料結構靈感

                    除了材料的組分,微妙的結構也影響著光熱轉換的效率。

                    作為21世紀新材料領域的重要發展方向之一,仿生材料的研究融入信息通信、人工智能、創新制造等高新技術,逐漸使傳統意義上的結構材料與功能材料的分界消失,實現材料的智能化、信息化、結構功能一體化。此前,國內外研究新材料的科學家,次第將視線投射到光熱反射效率較高的結構領域,并從經過億萬年自然選擇和進化的溫帶、寒帶常見植物身上獲得靈感,試圖低成本、高效率制造出新型材料。

                    “我們研究組的同學們都會在外出旅行的時候找尋一些組織結構特別的植物,回來后進行碳化處理,試圖找到不同的結構,支持新復合材料結構的研究。”云南大學材料與能源學院研究生耿學敏說。

                    他們把常見的玫瑰、玉米秸稈以及咖啡3種生物質碳化前后的三維掃描圖像進行對比后發現,與咖啡碳材料的三維雜亂和不規則形狀相比,花苞狀玫瑰碳材料的內壁可以有效地對光進行全吸收,并在這些受限空間內實現多級反射。“因為這種結構像一顆洋蔥頭,只有一個很小的開口,光進來之后,就被限制在這個‘小口袋’里,光熱從小口‘逃逸’出去的幾率就要小很多,從而提高了光熱轉換效率。”萬艷芬說,此外在玫瑰粉末3D折疊花瓣狀結構中還可觀察到光的多重反射,這一結構與中國折紙相似,光進行多重反射的特殊結構面積,隨著折疊花瓣結構的增多而增大,可以獲得高達99%的光吸收率。

                    同樣的原理也適用于玉米秸稈中圓柱形通道微結構。“這兩種結構都能夠有效減少能量損失。”楊鵬介紹。

                    玉米秸稈、玫瑰材料的光熱轉換效率分別可以達到93.4%和92.8%。由此可以看出,具有花苞狀結構的玫瑰碳粉和圓柱狀的玉米秸稈碳粉由于其微結構的存在可吸收更多的光。但研究團隊并沒有直接利用生物質材料的結構,而是將其加以提煉、簡化,使材料的結構更利于光熱轉換效能的提升和制備的便利化。

                    “獲得植物組織的原始結構之后,我們還想加入納米材料,把納米材料的微觀序和生物質材料的宏觀序結合起來,能夠讓新材料與光相互作用的波長范圍更寬,也就是說,形成兩個不同尺度的有序結構的組合。”萬艷芬說。

                    新型復合材料應用前景廣闊

                    “與傳統的單組分光熱材料如金、銀、二硫化鉬、碳納米管、石墨烯等相比較,我們所制備材料的特點主要表現在兩方面:多元材料的復合以及將生物質廢料變廢為寶。”萬艷芬向記者介紹,他們已成功制備的金-鉬酸鉍-碳點等,是雜化多種材料組元以獲得的復合材料,通過多元材料之間的協同作用,獲得具有窄帶隙的光熱材料,表現出優于單組分甚至單組分所不具備的性能,進而提升光熱轉換效率;另一方面對成本低廉、易獲得且環境友好型生物質廢料進行碳化處理,仍然保持其獨特的原生微結構,可以進行高效光吸收和水運輸。

                    此前,傳統的光熱轉換材料就只考慮光熱這一項,比如說通過光照,就有集熱的性能,但現在,他們正試圖往多功能集成方面去發展,不僅讓材料具有基本的光熱轉換功能,還需同時兼容其他功能。

                    由于擁有卓越的集熱性能,這種新材料還可以應用在海水淡化、溫差發電、水伏發電、濕度發電等方面,為解決能源危機、緩解淡水資源短缺等問題提供了新的思路和方法。“新材料可為海上浮標提供能源,而不必再耗時耗力去更換電池。這些成果正在逐步推廣和應用。”萬艷芬介紹說。

                    此外,隨著研究的發展和深入,研究團隊還發現了這種新材料在人體可穿戴健康檢測傳感器等方面的應用空間和潛力。

                    “如復合了新材料的聚丙烯酰胺—聚丙烯酸水凝膠,就表現出了出色的可塑性、彈性以及穩定的應變—電壓響應,我們把它佩戴到多名參與測試人員的指關節上進行了試驗,顯示其傳感能力高度靈敏,能實時監測人體肌肉力量和關節健康狀況。”耿學敏說。(記者 趙漢斌)








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