Advanced Science:黑色石墨烯实现高效太阳光选择性吸收

太阳,作为地球上万物生灵的能量源泉,通过太阳光辐射的形式向地球输送着约1.72E17瓦功率的能量,几乎是人类文明当前能量消耗功率的近9千倍。围绕太阳能的有效利用,人类一直以来展开了诸多探索,催生了太阳能光热、光伏和光化学等诸多研究领域。太阳能光热转换是一种人们广泛利用的能量转换过程。几乎所有材料都具备一定的吸收太阳光的能力,材料吸收光线之后将光能转换并存储为内部晶格振动、电子碰撞的热能。然而,材料中的热能是不容易保存的,吸光后的高温材料总是通过自身热辐射的形式将热能耗散给更为低温的周围环境。通过调控材料表面光谱吸收性能,可以既有效地吸收太阳光能量,又抑制自身的热辐射能量损耗,从而最大化利用太阳能光热转换,这种表面光学能源材料叫做选择性吸收膜(Spectrally selective absorber,SSA)。自20世纪中旬由以色列科学家提出以来,SSA不断发展至今,已广泛应用于太阳能热利用、热光伏、热电等领域。

碳基吸光材料(如,炭黑,碳纳米管等)一般具有高的太阳光吸收率(αsolar >0.90),在许多太阳能转换利用领域一直起着关键作用。然而,由于过高的热辐射率(>95%),这些碳基材料也往往引起巨大的能量损失,进而阻碍了太阳光热转换利用效率。

清华大学程虎虎博士、曲良体教授团队首次提出了一种基于还原氧化石墨烯的选择性吸收膜(G-SSA)。通过简单地调控石墨烯二维纳米片的还原程度与还原氧化石墨烯(rGO)的镀层厚度,不仅保证了高的太阳光吸收率(αsolar ≈ 0.92),同时具有碳材料中报道的最低热发射率(≈4%)。与传统的碳基吸光材料相比,G-SSA的热发射率降低了约95.8%,并且G-SSA的光学截止波长在1.1-3.2 μm内广谱可调。更重要的是,这种简便溶胶-凝胶法制备的G-SSA具备800℃下达96小时的耐热性能,这是其他陶瓷基或者光子晶体基选择性吸收膜所不容易达到的。基于G-SSA,他们发现,在太阳光照射下产生高温使水具有超快的蒸汽逃逸速度(0.94 mg cm−2 s−1)。

该项工作将为发展耐高温的选择性吸收膜提供新的策略,并在太阳能光热以及表面吸光调控等领域具有重要意义。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI:10.1002/advs.201903125)上。

该论文第一作者为清华大学博士研究生廖启华,研究工作受到了国家重点研发计划项目,国家自然科学基金,清华大学自主科研项目,清华-佛山研究院项目的支持。