新型复合光热材料应用前景广阔
发布者:admin | 来源:科技日报 | 0评论 | 963查看 | 2021-01-30 19:05:56    

近几十年来,淡水资源缺乏和能源危机已成为全球范围两个急需解决的问题。


占世界人口40%的80个国家严重缺水,预计到2025年,将有近三分之二的国家陷入淡水短缺的困境。与此同时,全球能源现状也令人担忧,因为化石能源枯竭和使用化石燃料造成的环境污染困扰着人类。


为了缓解淡水资源的短缺以及能源危机,人们对利用太阳能为代表的绿色能源来生产淡水和发电,充满更高的期待。但支撑这个美好愿景的,是亟待攻克的高效光热转换材料,它必须同时具备高太阳能吸收性、高光热转换性、低成本以及良好的材料稳定性。


科技日报记者1月28日从云南大学获悉,该校万艳芬、杨鹏团队结合学科优势和区域产业优势,在制备具有优异光吸收性和更高光热转换效率的复合材料方面已经取得了实质性进展,最新一期国际著名期刊《纳米能源》(Nano Energy)发表了这一成果,并引发业界的关注。


在稀贵金属王国淬炼高效能光热材料


数十年来,尽管科研工作者对不同的光热材料进行了广泛的研究,并在有些区域形成了产业集群。太阳能因为其清洁绿色环保可持续等特点,一直备受青睐。


“传统的太阳能集热器装置,是以纳米流体为集热介质,它对太阳光辐射的吸收有限,并且对外热损失较大,导致光热转换效率很低,其实际应用非常受限。”云南大学能源与材料学院副教授万艳芬告诉记者,近年来“界面太阳能光蒸汽系统”引起了研究者的广泛关注,该系统可以通过吸收器和蒸发器的优化构筑,能够实现高效水净化处理,能源捕获与热管理,卫生灭菌以及发电。光热材料作为该转换系统的核心,其创新型构筑尤为关键,如何设计和制备优异的光热材料以实现高效的光蒸汽转化,至关重要。但由于其有限的光热转换效率,传统单组分材料还不能满足实际需要。


影响系统光热转换效率的因素有很多,光热材料的作用尤为关键。云南大学万艳芬研究组通过云南省创新推进的稀贵金属材料基因工程研发的大数据和高通量制备平台,利用云南稀贵金属原料富集、产业链完善的优势,将等离子体贵金属、半导体和碳基材料复合,形成了新材料研发思路。


“由于三者的协同效应,使得金-钼酸铋-碳点复合材料具有97.1%的光热转换效率。特别是金纳米锥和碳点的加入,由于电子由钼酸铋转移到金锥和碳点的表面,有效地抑制了钼酸铋中电子-空穴对的复合,从而极大地增强了材料的光热性能。”云南大学材料与能源学院杨鹏副教授向记者介绍。


此外,将复合材料沉积在商用温差发电片上,可制成太阳能温差发电器件。结果显示,该器件具有增强的热电性能,其输出功率高达每平方厘米97.4微瓦。这为高效光热转换材料的研究提供了重要实验依据,同时也为海水淡化和新能源器件及系统研发带来新思路。


从植物王国的生物质材料获取结构灵感


除了材料的组分,微妙的结构也影响着光热转换的效率。


作为21世纪发展新材料领域的重大方向之一,仿生材料的研究将融入信息通信、人工智能、创新制造等高新技术,逐渐使传统意义上的结构材料与功能材料的分界消失,实现材料的智能化、信息化、结构功能一体化。此前,国内外研究新材料的科学家,次第将视线投射到光热反射效率较高的结构领域,并从经过亿万年自然选择和进化的温带、寒带常见植物身上不断获得了灵感,试图低成本、高效率制造出新型材料。


“虽然难得有出门旅行的机会,但我们研究组的同学们都千方百计在便利的情况下找寻一些组织结构特别的植物,回来后进行碳化处理,从而找到不同的结构,支持新复合材料结构的研究。”云南大学材料与能源学院研究生耿学敏说。


他们把常见的玫瑰、玉米秸秆以及咖啡三种生物质碳化前后的三维扫描图像进行对比后发现,与咖啡碳材料的三维杂乱和不规则形状相比,花苞状玫瑰碳材料的内壁可以有效地对光进行全吸收,并在这些受限空间内实现多级反射。“收集和利用这种结构,是因为这种结构像一颗洋葱头,只有一个很小的开口,光进来之后,就被限制在这个‘小口袋’里,光热从小孔‘逃逸’出去的几率就要小很多,可以实现光的不断反射,从而提高了光热转换效率。”万艳芬说。


同样的原理也适用于玉米秸秆中圆柱形通道微结构。“这两种结构都能够有效减少能量损失,因为花苞状和圆柱壁可以减少受限空间内部的热辐射损失,并且使光在空间内部进行反射减少损失。”杨鹏介绍,此外,在玫瑰粉末3D折叠花瓣状结构中,也可观察到光的多重反射,这一结构与中国折纸相似,光进行多重反射的特殊结构面积,随着折叠花瓣结构的增多而增大,可以获得高达99%的光吸收率。


玉米秸秆、玫瑰和咖啡碳材料的光热转换效率分别可以达到93.4%、92.8%和76%。由此可以看出,具有花苞状结构的玫瑰碳粉和圆柱状的玉米秸秆碳粉由于其微结构的存在可吸收更多的光而具有更高的光热转换效率。经光热性能测试,水蒸发率达每平方米小时1.69千克。


但研究团队并不止简单直接利用生物质材料的结构,而是加以提炼、简化,使材料的结构更利于光热转换效能的提升和制备的便利化。


“获得植物组织的原始结构之后,我们还想加入纳米材料,把纳米材料的微观序和生物质材料的宏观序结合起来,能够让新材料与光相互作用的波长范围拓展得非常宽,也就是说,形成两个不同尺度的有序结构的组合。”万艳芬说,如同漂亮的甲虫、绚烂的蝴蝶或色彩缤纷的花朵,基于成分、结构,阳光会带来了丰富的变化,这也可以赋予材料更丰富的性能。这样的话,未来一个小小的装备,就能就解决多个应用的问题。


新型复合光热材料应用前景广阔


“与传统的单组分光热材料如金、银、二硫化钼、碳纳米管、石墨烯等相比较,我们所制备材料的特点主要表现在两方面:多元材料的复合以及将生物质废料变废为宝。”万艳芬向记者介绍,他们已成功制备的金-钼酸铋-碳点、硫化铋-钯等,是杂化多种材料组元以获得的复合材料,通过多元材料之间的协同作用,获得具有窄带隙的光热材料,表现出优于单组分甚至单组分所不具备的新生性能,进而提升光热转换效率;另一方面对成本低廉、易获得且环境友好型生物质废料进行碳化处理,仍然保持其独特的原生微结构,可以进行高效光吸收和水运输,获得出色的光热转换效果,赋予了材料设计思路较大的新颖性和创新途径。


此前,传统的光热转换材料就只考虑光热这一项,比如说通过光照,就有集热的性能,但现在,他们正试图往多功能集成方面去发展,不仅具有基本的光热转换功能,还需要同时兼容其他功能。


由于拥有卓越的集热性能,具有优异良好光热转换效果的复合材料和生物质碳材料可以应用在海水淡化、温差发电、水伏发电、湿度发电等方面,为解决能源危机、缓解淡水资源短缺等问题提供了新的思路和解决方法。“在海防和远洋实验中,新材料可为海上浮标提供能源,而不必再耗时耗力去更换电池。这些成果正在逐步推广和应用。”万艳芬介绍说。


此外,随着研究的发展和深入,研究团队还在生物质碳材料以及复合材料等在发电、人体可穿戴健康检测传感器等方面看到了广泛的应用空间和潜力。


“如复合了光热材料的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸水凝胶,就表现出了出色的可塑性、弹性以及稳定的应变-电压响应,我们把它佩戴到多名参测人员的指关节上,显示了高灵敏度的传感能力,可实时监测人体肌肉力量和关节健康状况。”耿学敏说,他们还制备了集合太阳能蒸汽转换,温差发电和可穿戴传感的器件级多功能集成系统。在飞速发展的物联网时代,这些新材料为自驱动的多功能集成设备提供了新的设计思路和启发。

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