Advanced Materials:溶液法制备全陶瓷等离激元光热超材料

可再生能源的成本和效率决定了我们向低碳生活转变的进程。太阳能光热转换是一种极具性价比的,可高效利用全谱太阳辐射的绿色技术,产生的热能易存储、调度,且可惠及众多日常生活与工业生产领域,从低温(<200°C)的建筑和工业用热,海水淡化,光热催化,到高温(>600°C)的下一代聚光太阳能热发电和热光伏发电。光热系统的转换效率主要由吸热涂层的太阳能吸收率和热损失共同决定。红外热辐射量与温度的四次方成正比,被认为是吸热涂层最主要的热损失途径之一。光谱选择性太阳能吸热涂层(selective solar absorber,SSA)在太阳辐照所处的紫外光,可见光和近红外光所处波长范围(0.3-2.5 μm)具有极高的吸收率, 但在中红外波段(>2.5 μm)有极低的吸收率(即发射率)以抑制其热辐射损失,因此可获得远高于黑体材料的光热效率。

过去几十年,经过学术界和工业界的共同努力,SSA领域硕果累累,但尚缺少可以高效服役于低、中、高温光热系统的通用SSA。更为重要的是,目前制造高性能的低温或高温SSA均需要高精尖的超净室工艺,如溅射,蒸镀,和光刻等,导致其制造成本难以进一步降低,阻碍了光热系统的大规模部署。因此该领域迫切需要技术革新来开发低成本、高效率、低中高温通用的SSA。

近日,香港科技大学黄宝陵教授团队与合作者报道了一种溶液法制备的全陶瓷超材料SSA,可通用于工作温度在100-727 °C内的多种光热系统。相关论文发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202005074)。论文第一作者为香港科技大学李洋博士。

该全陶瓷SSA由氮化钛(TiN)红外反射层,TiN纳米颗粒吸收层,和二氧化硅(SiO2)减反层组成。由于局域表面等离子体共振效应,TiN颗粒对可见光有极强的吸收,同时这种陶瓷颗粒极具耐高温性。将紧密排列的TiN纳米颗粒铺在具有强反射性的基底上,构成了非对称Fabry-Perot共振腔,多次的反射增加了光子与纳米颗粒作用的有效光程,使得更长波的近红外光也被高效吸收利用,但中红外光远离共振波长,因此无法被吸收。 该SSA的太阳能吸收率达95%,而低温(100°C)红外辐射率为3%, 高温(727 °C)辐射率为22%。同时得益于其全陶瓷组成,其真空耐热温度高达727 °C,空气中耐热温度在500 °C以上。该SSA可采用旋涂、喷涂、刷涂等简单溶液法工艺制备,无需超净室设备。其实验室旋涂制备成本低廉,为市场主流的德国进口SSA价格的16%。研究人员认为采用大规模卷对卷制造技术,成本有望进一步降低。此研究为从低温到高温诸多太阳能热利用系统提供了一种低成本的、高效的、通用的SSA,有望推动太阳能热利用技术的更大规模部署。