澳洲發(fā)布新型石墨烯太陽(yáng)能加熱超材料 可用于儲熱等工業(yè)領(lǐng)域

近日，澳大利亞墨爾本斯威本科技大學(xué)(Swinburne University of Technology)轉化原子材料中心(Center for Translational Atomaterials，CTAM)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型石墨烯薄膜，這種薄膜可以吸收90%以上的太陽(yáng)光，同時(shí)消除了大部分紅外熱發(fā)射損失，這是該項壯舉的首次報道。 這是一種高效的太陽(yáng)能加熱超材料，能夠在開(kāi)放環(huán)境中以最小的熱損失快速加熱到83攝氏度(181華氏度)。該薄膜的擬議應用包括熱能收集和儲存、光熱發(fā)電和海水淡化。

CTAM創(chuàng )始董事賈寶華教授表示，在吸收太陽(yáng)光的同時(shí)抑制熱輻射損失(也稱(chēng)為黑體輻射)對于高效的太陽(yáng)能熱吸收器至關(guān)重要，但要實(shí)現這一目標卻極為困難。她解釋說(shuō)：“這是因為，根據吸收的熱量和吸收體的特性，發(fā)射溫度不同，導致其波長(cháng)有顯著(zhù)差異。但是我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)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?！?/p>

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沉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(lái)圖案化，以使得波長(cháng)選擇性吸收的柔性可調諧性。

石墨烯薄膜的設計吸收波長(cháng)在0.28到2.5微米之間的光。銅基板的結構使得它可以作為選擇性帶通濾波器，抑制內部產(chǎn)生的黑體能量的正常發(fā)射。這樣保留的熱量可以進(jìn)一步提高超材料的溫度。因此，SGM可以快速加熱到83攝氏度。如果特定應用需要不同的溫度，可以制備和調諧新的溝道納米結構，以匹配特定的黑體波長(cháng)。 “在我們之前的工作中，我們展示了一種90納米石墨烯吸熱材料，”賈教授說(shuō)。雖然它可以加熱到160攝氏度，“但它的結構更為復雜，包括四層：基底、銀層、氧化硅層和石墨烯層。我們的新雙層結構更簡(jiǎn)單，不需要真空沉積。制造方法可擴展且成本低?！?nbsp;

這種新材料還將薄膜厚度顯著(zhù)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(zhì)，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(cháng)超材料的壽命。

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

Keng-Te說(shuō)：“我們利用原型機薄膜來(lái)生產(chǎn)清潔的水，并獲得了96.2%的令人印象深刻的太陽(yáng)能-蒸汽效率。對于使用可再生能源的清潔水發(fā)電來(lái)說(shuō)，這是非常有競爭力的?！?/p>

他補充說(shuō)，這種超材料還可以用于能量收集和轉換應用、蒸汽發(fā)電、廢水凈化、海水淡化和光熱發(fā)電。

但仍然存在的一個(gè)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(yíng)公司Innofocus Photonics Technology合作，該公司已將一臺涂層機商業(yè)化，用于鋪設石墨烯和介電層，”賈教授說(shuō)?！拔覀儗Υ烁械綕M(mǎn)意。我們現在正在尋找一種適合大規模生產(chǎn)銅基板的方法?！彼a充道，一種可能的方法是采用roll-to-roll工藝。

同時(shí)，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?！爸劣谏虡I(yè)化，”賈教授說(shuō)，“我們認為這在一到兩年內是可能的?！?/p>