新型石墨烯太阳能加热超材料 可用于储热等工业领域

近日，澳大利亚墨尔本斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)转化原子材料中心(Center for Translational Atomaterials，CTAM)的研究人员开发了一种新型石墨烯薄膜，这种薄膜可以吸收90%以上的太阳光，同时消除了大部分红外热发射损失，这是该项壮举的首次报道。 这是一种高效的太阳能加热超材料，能够在开放环境中以最小的热损失快速加热到83摄氏度(181华氏度)。该薄膜的拟议应用包括热能收集和储存、光热发电和海水淡化。

CTAM创始董事贾宝华教授表示，在吸收太阳光的同时抑制热辐射损失(也称为黑体辐射)对于高效的太阳能热吸收器至关重要，但要实现这一目标却极为困难。她解释说：“这是因为，根据吸收的热量和吸收体的特性，发射温度不同，导致其波长有显著差异。但是我们已经开发出了一种三维结构的石墨烯超材料(structured graphenemeta materials, SGM)，它具有很高的吸收性，可以选择性地滤除黑体辐射。”

这种三维结构的石墨烯超材料由一层30纳米厚的交替石墨烯薄膜和沉积在沟槽状纳米结构上的介电层组成，该结构兼作铜衬底以增强吸收。更重要的是，所述基板以矩阵排列来图案化，以使得波长选择性吸收的柔性可调谐性。

石墨烯薄膜的设计吸收波长在0.28到2.5微米之间的光。铜基板的结构使得它可以作为选择性带通滤波器，抑制内部产生的黑体能量的正常发射。这样保留的热量可以进一步提高超材料的温度。因此，SGM可以快速加热到83摄氏度。如果特定应用需要不同的温度，可以制备和调谐新的沟道纳米结构，以匹配特定的黑体波长。 “在我们之前的工作中，我们展示了一种90纳米石墨烯吸热材料，”贾教授说。虽然它可以加热到160摄氏度，“但它的结构更为复杂，包括四层：基底、银层、氧化硅层和石墨烯层。我们的新双层结构更简单，不需要真空沉积。制造方法可扩展且成本低。”

这种新材料还将薄膜厚度显著减少到三分之一而使用了较少的石墨烯，其薄度有助于更有效地将吸收的热量传递到其他介质，如水。此外，薄膜是疏水性的，这有助于自我清洁，而石墨烯层有效地保护铜层免受腐蚀，有助于延长超材料的寿命。

“由于金属基底的结构参数是控制SGM整体吸收性能的主要因素，而不是其固有特性，因此可以根据应用需求或成本使用不同的金属，”Keng-Te Lin说，他是最近发表在《自然通讯(Nature Communications)》上的一篇关于超材料的论文的主要作者，也是Swinburne大学的研究员。他指出，铝箔也可以用来代替铜，而不会影响性能。

Keng-Te说：“我们利用原型机薄膜来生产清洁的水，并获得了96.2%的令人印象深刻的太阳能-蒸汽效率。对于使用可再生能源的清洁水发电来说，这是非常有竞争力的。”

他补充说，这种超材料还可以用于能量收集和转换应用、蒸汽发电、废水净化、海水淡化和光热发电。

但仍然存在的一个挑战是找到一种制造方法，使基板可伸缩。

“我们正在与一家私营公司Innofocus Photonics Technology合作，该公司已将一台涂层机商业化，用于铺设石墨烯和介电层，”贾教授说。“我们对此感到满意。我们现在正在寻找一种适合大规模生产铜基板的方法。”她补充道，一种可能的方法是采用roll-to-roll工艺。

同时，研究人员还在继续微调纳米结构设计，提高SGM的稳定性和吸收效率。“至于商业化，”贾教授说，“我们认为这在一到两年内是可能的。”