花苞狀玫瑰碳材料的內(nèi)壁像一顆洋蔥頭，只有一個很小的開口，照進來的光被限制在這個“小口袋”里，光熱從小口“逃逸”出去的幾率小很多，從而提高了光熱轉(zhuǎn)換效率。

近幾十年來，淡水資源缺乏和能源危機已成為全球范圍兩個急需解決的問題。預(yù)計到2025年，將有近三分之二的國家陷入淡水短缺的困境。與此同時，化石能源枯竭和使用化石燃料造成的環(huán)境污染也困擾著人類。

為了緩解淡水資源的短缺以及能源危機，人們對利用太陽能等綠色能源來生產(chǎn)淡水和發(fā)電充滿期待。但支撐這個美好愿景的高效光熱轉(zhuǎn)換材料，它必須同時具備高太陽能吸收性、高光熱轉(zhuǎn)換性、低成本以及良好的穩(wěn)定性。

記者獲悉，研究團隊結(jié)合學科優(yōu)勢和區(qū)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在制備具有優(yōu)異光吸收性和更高光熱轉(zhuǎn)換效率的復合材料方面取得進展。

在稀貴金屬王國淬煉高效光熱材料

數(shù)十年來，科研工作者對不同的光熱材料進行了研究，并在一些區(qū)域形成了產(chǎn)業(yè)集群。

“傳統(tǒng)的太陽能集熱器裝置，是以納米流體為集熱介質(zhì)，它對太陽光輻射的吸收有限，并且對外熱損失較大，導致光熱轉(zhuǎn)換效率很低，其實際應(yīng)用非常受限。”

研究人員告訴記者，近年來“界面太陽能光蒸汽系統(tǒng)”引起了廣泛關(guān)注，該系統(tǒng)可以通過吸收器和蒸發(fā)器的優(yōu)化構(gòu)筑，實現(xiàn)高效水凈化處理、能源捕獲與熱管理、衛(wèi)生滅菌以及發(fā)電。

光熱材料作為該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心，其創(chuàng)新型構(gòu)筑尤為關(guān)鍵，如何設(shè)計和制備優(yōu)異的光熱材料以實現(xiàn)高效的光蒸汽轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

影響系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率的因素有很多，光熱材料的作用尤為關(guān)鍵。研究組通過稀貴金屬材料基因工程研發(fā)的大數(shù)據(jù)和高通量制備平臺，利用稀貴金屬原料富集、產(chǎn)業(yè)鏈完善的優(yōu)勢，對等離子體貴金屬、半導體和碳基材料進行復合研究。

“由于三者的協(xié)同效應(yīng)，使得金-鉬酸鉍-碳點復合材料具有97.1%的光熱轉(zhuǎn)換效率。特別是金納米錐和碳點的加入，能讓電子由鉬酸鉍轉(zhuǎn)移到金錐和碳點的表面，有效地抑制了鉬酸鉍中電子-空穴對的復合，從而極大地增強了材料的光熱性能?！毖芯咳藛T向記者介紹。

此外，將復合材料沉積在商用溫差發(fā)電片上，可制成太陽能溫差發(fā)電器件。結(jié)果顯示，該器件具有增強的熱電性能，其輸出功率高達每平方厘米97.4微瓦。

這為高效光熱轉(zhuǎn)換材料的研究提供了重要實驗依據(jù)，同時也為海水淡化和新能源器件及系統(tǒng)研發(fā)帶來了新思路。

從大自然中獲取材料結(jié)構(gòu)靈感

除了材料的組分，微妙的結(jié)構(gòu)也影響著光熱轉(zhuǎn)換的效率。

作為21世紀新材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，仿生材料的研究融入信息通信、人工智能、創(chuàng)新制造等高新技術(shù)，逐漸使傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)材料與功能材料的分界消失，實現(xiàn)材料的智能化、信息化、結(jié)構(gòu)功能一體化。

此前，國內(nèi)外研究新材料的科學家，次第將視線投射到光熱反射效率較高的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并從經(jīng)過億萬年自然選擇和進化的溫帶、寒帶常見植物身上獲得靈感，試圖低成本、高效率制造出新型材料。

“研究組的同學都會在外出旅行的時候找尋一些組織結(jié)構(gòu)特別的植物，回來后進行碳化處理，試圖找到不同的結(jié)構(gòu)，支持新復合材料結(jié)構(gòu)的研究?！毕嚓P(guān)人員說。

他們把常見的玫瑰、玉米秸稈以及咖啡3種生物質(zhì)碳化前后的三維掃描圖像進行對比后發(fā)現(xiàn)，與咖啡碳材料的三維雜亂和不規(guī)則形狀相比，花苞狀玫瑰碳材料的內(nèi)壁可以有效地對光進行全吸收，并在這些受限空間內(nèi)實現(xiàn)多級反射?！?/p>

因為這種結(jié)構(gòu)像一顆洋蔥頭，只有一個很小的開口，光進來之后，就被限制在這個‘小口袋’里，光熱從小口‘逃逸’出去的幾率就要小很多，從而提高了光熱轉(zhuǎn)換效率?！?/p>

研究人員說，此外在玫瑰粉末3D折疊花瓣狀結(jié)構(gòu)中還可觀察到光的多重反射，這一結(jié)構(gòu)與中國折紙相似，光進行多重反射的特殊結(jié)構(gòu)面積，隨著折疊花瓣結(jié)構(gòu)的增多而增大，可以獲得高達99%的光吸收率。

同樣的原理也適用于玉米秸稈中圓柱形通道微結(jié)構(gòu)?！斑@兩種結(jié)構(gòu)都能夠有效減少能量損失?！毕嚓P(guān)人員介紹。

玉米秸稈、玫瑰材料的光熱轉(zhuǎn)換效率分別可以達到93.4%和92.8%。由此可以看出，具有花苞狀結(jié)構(gòu)的玫瑰碳粉和圓柱狀的玉米秸稈碳粉由于其微結(jié)構(gòu)的存在可吸收更多的光。

但研究團隊并沒有直接利用生物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)，而是將其加以提煉、簡化，使材料的結(jié)構(gòu)更利于光熱轉(zhuǎn)換效能的提升和制備的便利化。

“獲得植物組織的原始結(jié)構(gòu)之后，我們還想加入納米材料，把納米材料的微觀序和生物質(zhì)材料的宏觀序結(jié)合起來，能夠讓新材料與光相互作用的波長范圍更寬，也就是說，形成兩個不同尺度的有序結(jié)構(gòu)的組合?！毕嚓P(guān)人員說。

新型復合材料應(yīng)用前景廣闊

“與傳統(tǒng)的單組分光熱材料如金、銀、二硫化鉬、碳納米管、石墨烯等相比較，我們所制備材料的特點主要表現(xiàn)在兩方面：多元材料的復合以及將生物質(zhì)廢料變廢為寶。”

相關(guān)人員向記者介紹，他們已成功制備的金-鉬酸鉍-碳點等，是雜化多種材料組元以獲得的復合材料，通過多元材料之間的協(xié)同作用，獲得具有窄帶隙的光熱材料，表現(xiàn)出優(yōu)于單組分甚至單組分所不具備的性能，進而提升光熱轉(zhuǎn)換效率；另一方面對成本低廉、易獲得且環(huán)境友好型生物質(zhì)廢料進行碳化處理，仍然保持其獨特的原生微結(jié)構(gòu)，可以進行高效光吸收和水運輸。

此前，傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換材料就只考慮光熱這一項，比如說通過光照，就有集熱的性能，但現(xiàn)在，他們正試圖往多功能集成方面去發(fā)展，不僅讓材料具有基本的光熱轉(zhuǎn)換功能，還需同時兼容其他功能。

由于擁有卓越的集熱性能，這種新材料還可以應(yīng)用在海水淡化、溫差發(fā)電、水伏發(fā)電、濕度發(fā)電等方面，為解決能源危機、緩解淡水資源短缺等問題提供了新的思路和方法?！?/p>

新材料可為海上浮標提供能源，而不必再耗時耗力去更換電池。這些成果正在逐步推廣和應(yīng)用?！毕嚓P(guān)人員介紹說。

此外，隨著研究的發(fā)展和深入，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了這種新材料在人體可穿戴健康檢測傳感器等方面的應(yīng)用空間和潛力。

“如復合了新材料的聚丙烯酰胺—聚丙烯酸水凝膠，就表現(xiàn)出了出色的可塑性、彈性以及穩(wěn)定的應(yīng)變—電壓響應(yīng)，我們把它佩戴到多名參與測試人員的指關(guān)節(jié)上進行了試驗，顯示其傳感能力高度靈敏，能實時監(jiān)測人體肌肉力量和關(guān)節(jié)健康狀況?！毕嚓P(guān)人員說。