30歲東北大學(xué)博士研發(fā)出選擇性吸收太陽(yáng)能吸收器，可經(jīng)受192小時(shí)、200°C的高溫穩定性實(shí)驗，留學(xué)歸來(lái)即將加入華科做博后

“在我的研究領(lǐng)域中，MIT 陳剛教授在我心里一直是行業(yè)標桿，他的很多學(xué)生已在美國和中國的知名高校任教。

其中，楊榮貴老師在輻射制冷和納米熱傳導方向的研究位居業(yè)內前沿，楊老師是美國科羅拉多大學(xué)波爾德分校的終身教授，并于 2018 年回國任教于華中科技大學(xué)。我也有幸能從 2022 年跟隨楊老師從事博士后研究?！?/span>美國東北大學(xué)博士畢業(yè)生田彥培表示，本月底他即將回國發(fā)展。

田彥培生于 1991 年，來(lái)自河南省平頂山市。本科畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，從大一下學(xué)期就跟著(zhù)當時(shí)的班主任張鵬老師一起做關(guān)于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的項目。

大四畢業(yè)后，申請到美國羅德島大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從鄭義教授。2019 年，鄭老師入職美國東北大學(xué)，主要從事近場(chǎng)輻射換熱以及光譜調控的研究，他也跟隨導師轉學(xué)到美國東北大學(xué)直到博士畢業(yè)。

前不久，他擔任第一作者、鄭義教授擔任通訊作者的論文，剛剛發(fā)表在Nano Energy上。

論文題為《光譜選擇性的一種新策略：選擇性刻蝕合金實(shí)現選擇性等離子體太陽(yáng)能吸收和紅外抑制》（A New Strategy towards Spectral Selectivity: Selective Leaching Alloy to Achieve Selective Plasmonic Solar Absorption and Infrared Suppression）。

該研究要解決的問(wèn)題在于，多年來(lái)在學(xué)界和業(yè)界中，太陽(yáng)能的光熱利用均被看做是高效、環(huán)保且可再生的能源利用形式。

而光譜選擇性太陽(yáng)能吸收器，具備低成本、低紅外熱****率、太陽(yáng)能吸收率高、熱穩定性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在光熱轉換應用中扮演著(zhù)重要角色，比如太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能海水淡化、光熱催化和聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統。

作為幾種金屬元素的原子混合物，合金是一種具有某種增強特性（比如強度或硬度）混合物，這種物質(zhì)由一種主要金屬成分和其他輔助金屬或非金屬成分組成。在傳統的選擇性刻蝕中，合金中的電化學(xué)活性元素，會(huì )被選擇性溶解的方式形成納米結構。

其中，黑色金屬多孔納米結構，具備內表面積較大的特性，其能夠有效散射太陽(yáng)光波、可高效捕獲和吸收太陽(yáng)能等特點(diǎn)，因此是一種優(yōu)秀的光熱轉換材料。

日前，田彥培和導師鄭義教授，借助選擇性刻蝕反應的策略，把廣譜和高反射的鋁合金轉變成等離子體納米結構選擇性太陽(yáng)能吸收器 (PNSSAs)。

利用表面等離子體共振的策略，通過(guò)在合金表面自組裝形成銅納米結構薄膜，從而形成可調節的光譜選擇性、高效且全向的太陽(yáng)能吸收率、較低的熱****率、和優(yōu)異的熱機械穩定性的太陽(yáng)能吸收器。

據介紹，上述策略也適用于其他合金比如不銹鋼和高溫合金，從而可用于在中高溫下工作的太陽(yáng)能光熱系統。

在制備上，可通過(guò)溶液法方法造出 PNSSAs，實(shí)驗室的加工成本只有 0.735 美元每平方米。而且，它可被輕松集成到工業(yè)規模的卷對卷工藝中，無(wú)需依賴(lài)既復雜、又昂貴的真空沉積和光刻技術(shù)。

研究中，田彥培使用溫度為 40℃ 的熱堿溶液去處理 2024 鋁合金（一種高強度硬鋁）的表面，鑒于主體元素-鋁可被堿溶液溶解，剩下的銅、鋅等微量元素會(huì )殘留在合金表面，進(jìn)而形成納米結構。

另?yè)?，在納米尺寸下，銅會(huì )對太陽(yáng)光（0.3 ~ 2.5 μm）產(chǎn)生光譜吸收能力，由于它的納米結構厚度和尺寸為數百納米量級，無(wú)法和紅外光產(chǎn)生共振（2.5 ~ 20 μm）, 因此會(huì )對紅外光展現出高透性。

不過(guò)，鋁合金基底可對紅外光產(chǎn)生高反射。銅納米結構和高反射鋁基底形成的結構可對太陽(yáng)能產(chǎn)生高吸收、并對紅外光產(chǎn)生高反射，這便是一個(gè)光譜選擇性太陽(yáng)能吸收器的誕生過(guò)程。

對不同入射角度的太陽(yáng)光和紅外光，該吸收器均分別體現出外高吸收性和高反射特性，故此可省去太陽(yáng)能追光設備的成本。

由上圖可知，未經(jīng)處理的鋁合金表面會(huì )有微米級的小凸起，而經(jīng)過(guò)熱堿溶液處理的鋁合金表面，則呈現出凹凸不平的納米結構，這種區別也體現在 AFM（原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope）表面形態(tài)圖形中。

從能譜儀元素分析可以看出，銅和鎂隨機散布在鋁合金表面，鋁和銅的晶型則可從 X 射線(xiàn)衍射譜看出。

其中，圖 2g 和圖 2h，描述了太陽(yáng)能吸收器的工作原理，具體來(lái)說(shuō)銅的納米結構負責對太陽(yáng)光進(jìn)行高吸收，而銅的納米結構也具備對中紅外波段的高透性，底部鋁合金的基底則對中紅外波段具有高反射性。

田彥培發(fā)現，紅外****率和熱轉換效率、以及由不同方法制備的 PNSSAs 的銅納米結構特征的尺寸分布，會(huì )隨著(zhù)氫氧化鈉水溶液的濃度、反應時(shí)間的不同和溫度變化而變化。

此外，當結構尺寸增大、結構厚度增加，銅納米結構對太陽(yáng)光的吸收率也會(huì )逐漸提高，同時(shí)還可保持對紅外光的高反射特性。借助調節初始熱堿溶液的濃度、反應時(shí)間和反應溫度，即可調節結構對太陽(yáng)光的吸收特性，結構的轉變波長(cháng)也可被改變。

分析銅納米結構的尺寸分布之后，田彥培發(fā)現，當反應濃度、反應時(shí)間和反應溫度都增加時(shí)，銅納米結構的尺寸也會(huì )增大。

由上圖可知，高溫下的光譜穩定性，是衡量太陽(yáng)能吸收器性能的重要指標。經(jīng)過(guò) 192 小時(shí)和 200°C 的高溫穩定性實(shí)驗，銅納米結構的光譜穩定性、晶型和表面結構得以保持。而對瞬時(shí)高溫的不敏感性，也是設計太陽(yáng)能吸收器的要點(diǎn)之一。

而再經(jīng)過(guò) 2 小時(shí) 、400°C 的高溫不敏感性實(shí)驗可知，該結構的光譜穩定性和變面形態(tài)并未出現明顯改變，同時(shí)結構的機械粘附穩定性也證明了本次設計策略的穩定性。

據悉，在一個(gè)標準太陽(yáng)光譜（1 kW m-2）的照射下，真空腔中改結構達到 165°C 的穩態(tài)溫度。在不同太陽(yáng)光照和日光照射下的實(shí)驗中，也證明了該結構具有良好的光熱轉換能力。

此外，田彥培利用熱堿溶液選擇性刻蝕合金的策略，使用 7075 標號的鋁合金（一種冷處理鍛壓合金）。

綜上，田彥培和團隊開(kāi)發(fā)出一種基于溶液處理的選擇性刻蝕反應的新策略，可用于經(jīng)濟高效的可行性空間太陽(yáng)能電池陣列模擬器制造。

研究中，他們獲得的等離子體富銅納米結構，具有寬帶太陽(yáng)能吸收和壓制中紅外損耗等特征，它可均勻地組裝在合金紅外反射器上。

而反射器的制備并不復雜：將鋁合金表面層，以選擇性的方式溶解在熱堿溶液中，即可制備出來(lái)。

概括來(lái)說(shuō)，這種銅納米結構的表面等離子體共振，一旦被激發(fā)出來(lái)，就能具備廣泛特征尺寸分布的特點(diǎn)。

此外，由于納米多孔銅結構內發(fā)生了多次反射和吸收增強，這會(huì )產(chǎn)生有效的全向太陽(yáng)能吸收率，因此該策略也可讓其他合金，在經(jīng)過(guò)電化學(xué)選擇性蝕刻之后，用于中高溫太陽(yáng)能熱應用。

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參考：

1、YanpeiTian. et al.Nano Energy 92, February 2022, 106717，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106717