石墨烯太阳能热膜可能成为收集可再生能源的新途径

澳大利亚墨尔本斯威本科技大学转化原子材料中心(CTAM)的研究人员开发了一种新的石墨烯基薄膜,它能以超过90%的效率吸收太阳光,同时消除大部分红外热发射损失--这样的壮举是第一次被报道。

其结果是一种高效的太阳能加热超材料,可以在开放环境中迅速加热到83摄氏度(181华氏度),而且热损失最小。该薄膜的拟议应用包括热能收集和储存、热电发电和海水淡化。

CTAM的创始董事贾宝华说,抑制热发射损失--也被称为黑体辐射--同时吸收太阳光对于高效的太阳能热吸收器来说至关重要,但要实现这一点却极具挑战性。"这是因为,根据吸收的热量和吸收器的属性,发射温度不同,这导致其波长的显著差异,"她解释说。"但是我们已经开发了一种三维结构的石墨烯超材料(SGM),它具有高度的吸收性,并能选择性地过滤掉黑体辐射。"

三维SGM是由一层30纳米厚的石墨烯和电介质层交替沉积在沟槽状的纳米结构上组成的,该结构具有铜基底的双重功能,以增强吸收。更重要的是,该基底是以矩阵排列的方式进行的,以实现波长选择吸收的灵活可调性。

石墨烯薄膜被设计为吸收0.28至2.5微米波长的光。而铜衬底的结构使其能够作为一个选择性的带通滤波器,抑制内部产生的黑体能量的正常发射。这种保留的热量然后有助于进一步提高超材料的温度。因此,SGM可以迅速加热到83摄氏度。如果一个特定的应用需要不同的温度,一个新的沟槽纳米结构可以被制造和调整,以匹配特定的黑体波长。

"在我们以前的工作中,我们展示了一种90纳米的石墨烯吸热材料,"鲍华说。虽然它可以加热到160摄氏度,但 "结构比较复杂,[包括]四层:一个基底,一个银层,一个氧化硅层,和一个石墨烯层。我们新的两层结构更简单,不需要真空沉积。而且制造方法是可扩展和低成本的"。

一个示意图显示了三维结构石墨烯超材料吸收器的构成(顶部)。照片(左下)和热图像(右下)显示了阳光下的吸收器。

这种新材料还通过大幅减少薄膜厚度至三分之一来减少石墨烯的使用量,其薄度有助于将吸收的热量更有效地转移到其他介质,如水。此外,该薄膜是疏水的,这促进了自清洁,而石墨烯层有效地保护了铜层免受腐蚀,有助于延长超材料的使用寿命。

"由于金属基底的结构参数是制约SGM整体吸收性能的主要因素,而不是其内在特征,因此可以根据应用需求或成本使用不同的金属,"最近发表在《自然通讯》上的一篇关于超材料的论文的主要作者Keng-Te Lin说,他也是斯威本大学的一名研究员。他指出,铝箔也可以用来替代铜而不影响性能。

为了测试超材料的设计和稳定性,研究人员使用标准的激光纳米制造技术、自组装氧化石墨烯涂层和光诱导还原技术制造了一个原型。

"我们使用原型薄膜来生产清洁水,并取得了令人印象深刻的96.2%的太阳能-蒸汽效率,"Keng-Te说。"这对于使用可再生能源的清洁水生产来说是非常有竞争力的。"

他补充说,超材料还可用于能量收集和转换应用、蒸汽发电、废水清洁、海水淡化和热电发电。

仍然存在的一个挑战是找到一种制造方法,使该基质可以扩展。

"我们正在与一家私营公司Innofocus Photonics Technology合作,该公司已经商业化了一台涂层机器来铺设石墨烯和电介质层,"鲍华说。"而且我们对此很满意。我们现在寻找的是一种适合大规模生产铜基底的方法。她补充说,一种可能性是使用卷对卷工艺。

同时,研究人员正在继续对纳米结构设计进行微调,并改进SGM的稳定性和吸收效率。"至于商业化,"鲍华说,"我们认为这将在一到两年内成为可能。"


本文最初发表于IEEE Spectrum,作者是John Boyd。

阅读更多。 

https://spectrum.ieee.org/energywise/semiconductors/materials/graphene-solar-heating-film-potential-new-renewable-energy-source?from=timeline#.Xnvz3pEofyA.mailto