靈感來自玫瑰、玉米秸稈 新型材料光熱轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)新高

花苞狀玫瑰碳材料的內(nèi)壁像一顆洋蔥頭，只有一個(gè)很小的開口，照進(jìn)來的光被限制在這個(gè)“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(zhuǎn)換效率。

——萬艷芬 云南大學(xué)材料與能源學(xué)院副教授

◎本報(bào)記者 趙漢斌

近幾十年來，淡水資源缺乏和能源危機(jī)已成為全球范圍兩個(gè)急需解決的問題。預(yù)計(jì)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(shí)，化石能源枯竭和使用化石燃料造成的環(huán)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(jī)，人們對(duì)利用太陽能等綠色能源來生產(chǎn)淡水和發(fā)電充滿期待。但支撐這個(gè)美好愿景的是高效光熱轉(zhuǎn)換材料，它必須同時(shí)具備高太陽能吸收性、高光熱轉(zhuǎn)換性、低成本以及良好的穩(wěn)定性。

科技日?qǐng)?bào)記者1月28日從云南大學(xué)獲悉，該校材料與能源學(xué)院副教授萬艷芬、楊鵬團(tuán)隊(duì)結(jié)合學(xué)科優(yōu)勢(shì)和區(qū)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在制備具有優(yōu)異光吸收性和更高光熱轉(zhuǎn)換效率的復(fù)合材料方面取得進(jìn)展，最新一期《納米能源》期刊發(fā)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(shù)十年來，科研工作者對(duì)不同的光熱材料進(jìn)行了研究，并在一些區(qū)域形成了產(chǎn)業(yè)集群。

“傳統(tǒng)的太陽能集熱器裝置，是以納米流體為集熱介質(zhì)，它對(duì)太陽光輻射的吸收有限，并且對(duì)外熱損失較大，導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換效率很低，其實(shí)際應(yīng)用非常受限?！比f艷芬告訴記者，近年來“界面太陽能光蒸汽系統(tǒng)”引起了廣泛關(guān)注，該系統(tǒng)可以通過吸收器和蒸發(fā)器的優(yōu)化構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)高效水凈化處理、能源捕獲與熱管理、衛(wèi)生滅菌以及發(fā)電。光熱材料作為該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心，其創(chuàng)新型構(gòu)筑尤為關(guān)鍵，如何設(shè)計(jì)和制備優(yōu)異的光熱材料以實(shí)現(xiàn)高效的光蒸汽轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

影響系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率的因素有很多，光熱材料的作用尤為關(guān)鍵。萬艷芬研究組通過云南省稀貴金屬材料基因工程研發(fā)的大數(shù)據(jù)和高通量制備平臺(tái)，利用云南稀貴金屬原料富集、產(chǎn)業(yè)鏈完善的優(yōu)勢(shì)，對(duì)等離子體貴金屬、半導(dǎo)體和碳基材料進(jìn)行復(fù)合研究。

“由于三者的協(xié)同效應(yīng)，使得金-鉬酸鉍-碳點(diǎn)復(fù)合材料具有97.1%的光熱轉(zhuǎn)換效率。特別是金納米錐和碳點(diǎn)的加入，能讓電子由鉬酸鉍轉(zhuǎn)移到金錐和碳點(diǎn)的表面，有效地抑制了鉬酸鉍中電子-空穴對(duì)的復(fù)合，從而極大地增強(qiáng)了材料的光熱性能?！睏铢i向記者介紹。

此外，將復(fù)合材料沉積在商用溫差發(fā)電片上，可制成太陽能溫差發(fā)電器件。結(jié)果顯示，該器件具有增強(qiáng)的熱電性能，其輸出功率高達(dá)每平方厘米97.4微瓦。這為高效光熱轉(zhuǎn)換材料的研究提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也為海水淡化和新能源器件及系統(tǒng)研發(fā)帶來了新思路。

從大自然中獲取材料結(jié)構(gòu)靈感

除了材料的組分，微妙的結(jié)構(gòu)也影響著光熱轉(zhuǎn)換的效率。

作為21世紀(jì)新材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，仿生材料的研究融入信息通信、人工智能、創(chuàng)新制造等高新技術(shù)，逐漸使傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)材料與功能材料的分界消失，實(shí)現(xiàn)材料的智能化、信息化、結(jié)構(gòu)功能一體化。此前，國內(nèi)外研究新材料的科學(xué)家，次第將視線投射到光熱反射效率較高的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并從經(jīng)過億萬年自然選擇和進(jìn)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(xué)們都會(huì)在外出旅行的時(shí)候找尋一些組織結(jié)構(gòu)特別的植物，回來后進(jìn)行碳化處理，試圖找到不同的結(jié)構(gòu)，支持新復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究?！痹颇洗髮W(xué)材料與能源學(xué)院研究生耿學(xué)敏說。

他們把常見的玫瑰、玉米秸稈以及咖啡3種生物質(zhì)碳化前后的三維掃描圖像進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，與咖啡碳材料的三維雜亂和不規(guī)則形狀相比，花苞狀玫瑰碳材料的內(nèi)壁可以有效地對(duì)光進(jìn)行全吸收，并在這些受限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多級(jí)反射。“因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)像一顆洋蔥頭，只有一個(gè)很小的開口，光進(jìn)來之后，就被限制在這個(gè)‘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(zhuǎn)換效率?！比f艷芬說，此外在玫瑰粉末3D折疊花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)中還可觀察到光的多重反射，這一結(jié)構(gòu)與中國折紙相似，光進(jìn)行多重反射的特殊結(jié)構(gòu)面積，隨著折疊花瓣結(jié)構(gòu)的增多而增大，可以獲得高達(dá)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(jié)構(gòu)?！斑@兩種結(jié)構(gòu)都能夠有效減少能量損失?！睏铢i介紹。

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

“獲得植物組織的原始結(jié)構(gòu)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(zhì)材料的宏觀序結(jié)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(gè)不同尺度的有序結(jié)構(gòu)的組合。”萬艷芬說。

新型復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊

“與傳統(tǒng)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(diǎn)主要表現(xiàn)在兩方面：多元材料的復(fù)合以及將生物質(zhì)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(diǎn)等，是雜化多種材料組元以獲得的復(fù)合材料，通過多元材料之間的協(xié)同作用，獲得具有窄帶隙的光熱材料，表現(xiàn)出優(yōu)于單組分甚至單組分所不具備的性能，進(jìn)而提升光熱轉(zhuǎn)換效率；另一方面對(duì)成本低廉、易獲得且環(huán)境友好型生物質(zhì)廢料進(jìn)行碳化處理，仍然保持其獨(dú)特的原生微結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行高效光吸收和水運(yùn)輸。

此前，傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換材料就只考慮光熱這一項(xiàng)，比如說通過光照，就有集熱的性能，但現(xiàn)在，他們正試圖往多功能集成方面去發(fā)展，不僅讓材料具有基本的光熱轉(zhuǎn)換功能，還需同時(shí)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(yīng)用在海水淡化、溫差發(fā)電、水伏發(fā)電、濕度發(fā)電等方面，為解決能源危機(jī)、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(biāo)提供能源，而不必再耗時(shí)耗力去更換電池。這些成果正在逐步推廣和應(yīng)用?！比f艷芬介紹說。

此外，隨著研究的發(fā)展和深入，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了這種新材料在人體可穿戴健康檢測(cè)傳感器等方面的應(yīng)用空間和潛力。

“如復(fù)合了新材料的聚丙烯酰胺—聚丙烯酸水凝膠，就表現(xiàn)出了出色的可塑性、彈性以及穩(wěn)定的應(yīng)變—電壓響應(yīng)，我們把它佩戴到多名參與測(cè)試人員的指關(guān)節(jié)上進(jìn)行了試驗(yàn)，顯示其傳感能力高度靈敏，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體肌肉力量和關(guān)節(jié)健康狀況。”耿學(xué)敏說。