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花苞(bao)狀玫瑰碳(tan)材料的內(nei)壁(bi)像一顆洋蔥頭，只有(you)一個(ge)很小的開口，照進來的光(guang)(guang)被限制在這個(ge)“小口袋”里(li)，光(guang)(guang)熱從小口“逃逸”出(chu)去的幾率小很多，從而提高了光(guang)(guang)熱轉換效率。

近(jin)幾十年來，淡水資源缺乏和(he)能(neng)源危機已成為全球范圍兩個(ge)急需解(jie)決的問(wen)題。預計到2025年，將有(you)近(jin)三分之二的國(guo)家(jia)陷入淡水短缺的困(kun)境(jing)。與此(ci)同時(shi)，化(hua)石(shi)能(neng)源枯竭和(he)使用化(hua)石(shi)燃(ran)料造成的環(huan)境(jing)污染也困(kun)擾(rao)著人(ren)類。

為了緩解淡水(shui)資源(yuan)的短缺(que)以及能源(yuan)危機，人(ren)們對利用太陽能等綠(lv)色能源(yuan)來生產淡水(shui)和發(fa)電充滿期待。但支撐(cheng)這(zhe)個美好愿景的高效光(guang)熱轉(zhuan)換(huan)材(cai)料(liao)，它(ta)必(bi)須(xu)同時具備高太陽能吸收性(xing)、高光(guang)熱轉(zhuan)換(huan)性(xing)、低成本以及良(liang)好的穩定性(xing)。

記者獲悉，研究團(tuan)隊結合(he)學科優勢和區(qu)域產業優勢，在制備具有(you)優異光(guang)(guang)吸(xi)收性(xing)和更高光(guang)(guang)熱轉換(huan)效率的(de)復合(he)材料(liao)方面取得進展。

在稀貴金屬王國淬煉高效光熱材料

數十年來，科(ke)研(yan)(yan)工作者對(dui)不同的光熱材料進行了研(yan)(yan)究，并在(zai)一些區(qu)域形(xing)成(cheng)了產業集群。

“傳統的(de)太陽能集(ji)(ji)熱(re)器(qi)裝置，是以納米流體為集(ji)(ji)熱(re)介(jie)質，它(ta)對太陽光輻射的(de)吸收有限(xian)，并(bing)且對外熱(re)損(sun)失較大，導致光熱(re)轉換效率很(hen)低，其(qi)實(shi)際應用(yong)非常(chang)受(shou)限(xian)。”

研究(jiu)人員告訴記者(zhe)，近(jin)年來“界面太陽能光蒸(zheng)汽系統”引起了廣泛(fan)關注，該系統可以通過吸收器(qi)和蒸(zheng)發(fa)器(qi)的優(you)化構筑，實現高效水凈化處(chu)理、能源捕獲與(yu)熱管理、衛生(sheng)滅菌以及發(fa)電。

光熱材(cai)料(liao)作為(wei)該轉(zhuan)換系統(tong)的核心，其創新型構筑尤為(wei)關鍵，如何設計和制備優(you)異的光熱材(cai)料(liao)以(yi)實現高效的光蒸汽轉(zhuan)化至關重要。

影響系統光(guang)熱(re)轉(zhuan)換效率的(de)(de)因素有(you)很(hen)多，光(guang)熱(re)材料的(de)(de)作用尤為關鍵。研究組通(tong)過稀貴金(jin)屬材料基因工程研發(fa)的(de)(de)大數據和高通(tong)量(liang)制備(bei)平臺，利用稀貴金(jin)屬原料富集、產業(ye)鏈完善(shan)的(de)(de)優勢，對等(deng)離子體貴金(jin)屬、半導體和碳基材料進行復(fu)合研究。

“由于(yu)三者的(de)(de)協同效應，使(shi)得金-鉬(mu)酸鉍-碳點復(fu)合材料具(ju)有(you)97.1%的(de)(de)光熱(re)轉(zhuan)換效率。特別是金納米錐和碳點的(de)(de)加入(ru)，能讓(rang)電(dian)子(zi)由鉬(mu)酸鉍轉(zhuan)移到金錐和碳點的(de)(de)表面，有(you)效地抑(yi)制了(le)鉬(mu)酸鉍中電(dian)子(zi)-空穴對(dui)的(de)(de)復(fu)合，從而(er)極大(da)地增強了(le)材料的(de)(de)光熱(re)性能。”研究人員向記者介紹(shao)。

此(ci)外，將復合材料(liao)沉積(ji)在商(shang)用溫差發(fa)電(dian)片上，可制成太陽能溫差發(fa)電(dian)器件。結果顯(xian)示(shi)，該器件具有增強的熱電(dian)性能，其輸(shu)出功率(lv)高(gao)達每平方厘米97.4微(wei)瓦。

這為高效光熱(re)轉換(huan)材料的(de)研究提供了(le)重要實驗依據，同(tong)時也為海水淡化和新能源(yuan)器件(jian)及(ji)系統研發帶來了(le)新思路(lu)。

從大自然中獲取材料結構靈感

除了材料的(de)組分，微妙(miao)的(de)結構也影響(xiang)著光熱轉(zhuan)換的(de)效(xiao)率。

作為(wei)21世紀(ji)新材料(liao)領域(yu)的重(zhong)要發(fa)展(zhan)方向之(zhi)一(yi)(yi)，仿(fang)生材料(liao)的研究融(rong)入(ru)信息通信、人工(gong)智能、創新制造等高新技術，逐漸使(shi)傳統意義上的結構材料(liao)與功能材料(liao)的分界(jie)消(xiao)失(shi)，實現材料(liao)的智能化(hua)(hua)、信息化(hua)(hua)、結構功能一(yi)(yi)體化(hua)(hua)。

此前，國內外研究新(xin)材料的(de)科學家，次第將視(shi)線投射(she)到光(guang)熱反射(she)效率(lv)較高的(de)結構領域，并從經(jing)過(guo)億萬年(nian)自然選擇和(he)進(jin)化的(de)溫帶、寒帶常見(jian)植(zhi)物身上(shang)獲(huo)得靈感，試圖低成本、高效率(lv)制造出新(xin)型(xing)材料。

“研(yan)究組(zu)的(de)同(tong)學都會在外出旅(lv)行的(de)時(shi)候找尋一(yi)些組(zu)織結構特別的(de)植物，回來后進行碳化處理，試圖找到不同(tong)的(de)結構，支持(chi)新復合材料(liao)結構的(de)研(yan)究。”相關(guan)人員說。

他(ta)們把常見的(de)玫瑰、玉米秸(jie)稈以及咖啡(fei)3種(zhong)生物質碳化前后的(de)三(san)(san)維掃描圖(tu)像進行對比后發現，與咖啡(fei)碳材料(liao)的(de)三(san)(san)維雜亂和不規則形狀相(xiang)比，花苞狀玫瑰碳材料(liao)的(de)內壁可以有效地對光進行全吸收，并在這(zhe)些受限空間內實現多(duo)級(ji)反射。“

因為這種結構像一(yi)顆洋蔥(cong)頭，只有一(yi)個(ge)很(hen)小的(de)開口，光進來之后，就被限制在這個(ge)‘小口袋(dai)’里，光熱從小口‘逃(tao)逸(yi)’出去的(de)幾率就要小很(hen)多(duo)，從而提高了(le)光熱轉換效率。”

研究人員(yuan)說，此外在玫瑰粉末3D折(zhe)(zhe)疊(die)花瓣狀結構(gou)中還可觀察(cha)到光(guang)(guang)的(de)(de)多重反射，這一結構(gou)與(yu)中國折(zhe)(zhe)紙(zhi)相(xiang)似(si)，光(guang)(guang)進(jin)行多重反射的(de)(de)特殊結構(gou)面積，隨著折(zhe)(zhe)疊(die)花瓣結構(gou)的(de)(de)增(zeng)多而(er)增(zeng)大(da)，可以獲得高達99%的(de)(de)光(guang)(guang)吸(xi)收率。

同樣的原理也適(shi)用于玉(yu)米秸稈中圓柱(zhu)形(xing)通道微結(jie)構(gou)。“這(zhe)兩(liang)種(zhong)結(jie)構(gou)都(dou)能夠有效減少能量損失。”相關人員介紹(shao)。

玉米(mi)秸(jie)稈、玫瑰(gui)材料的(de)光熱轉換效率分別(bie)可以(yi)達(da)到93.4%和(he)92.8%。由(you)此可以(yi)看(kan)出，具(ju)有花苞狀(zhuang)結構(gou)的(de)玫瑰(gui)碳(tan)粉和(he)圓柱狀(zhuang)的(de)玉米(mi)秸(jie)稈碳(tan)粉由(you)于(yu)其微結構(gou)的(de)存在可吸收更多的(de)光。

但研究團隊并沒有直接利用生物質(zhi)材料的(de)(de)結構，而是將其加以提(ti)煉(lian)、簡化(hua)，使材料的(de)(de)結構更利于光熱轉換效能的(de)(de)提(ti)升和制備的(de)(de)便利化(hua)。

“獲得植物(wu)組織的(de)原始結(jie)構之后，我(wo)們還(huan)想(xiang)加(jia)入納米材(cai)料，把納米材(cai)料的(de)微觀序(xu)和生物(wu)質材(cai)料的(de)宏觀序(xu)結(jie)合起來(lai)，能夠讓新材(cai)料與光相互(hu)作(zuo)用的(de)波(bo)長范(fan)圍更寬，也就是(shi)說(shuo)(shuo)，形(xing)成兩個不同尺度的(de)有序(xu)結(jie)構的(de)組合。”相關人員說(shuo)(shuo)。

新型復合材料應用前景廣闊

“與傳統的單組(zu)分光熱材(cai)料如金(jin)、銀(yin)、二(er)硫化鉬、碳納米(mi)管、石墨烯等相比(bi)較(jiao)，我們所制備材(cai)料的特點主(zhu)要表現在兩方面：多元材(cai)料的復合以及將生(sheng)物質廢(fei)料變廢(fei)為(wei)寶。”

相關人員向記者介(jie)紹，他們已成功制備的(de)金-鉬酸鉍-碳點等，是(shi)雜化(hua)多種材(cai)料(liao)組(zu)元以獲得的(de)復合材(cai)料(liao)，通過多元材(cai)料(liao)之間(jian)的(de)協同作用(yong)，獲得具有窄帶隙的(de)光(guang)熱材(cai)料(liao)，表現(xian)出優于單組(zu)分甚至(zhi)單組(zu)分所(suo)不具備的(de)性(xing)能，進而(er)提升光(guang)熱轉(zhuan)換效率；另(ling)一方面對成本(ben)低廉、易獲得且(qie)環(huan)境友好(hao)型生(sheng)物質廢料(liao)進行碳化(hua)處理，仍然(ran)保持其(qi)獨特的(de)原生(sheng)微(wei)結構，可(ke)以進行高(gao)效光(guang)吸(xi)收(shou)和水運輸。

此前，傳統的(de)光(guang)熱轉(zhuan)換材料就(jiu)只考慮(lv)光(guang)熱這一項，比如說通過光(guang)照，就(jiu)有集熱的(de)性能(neng)(neng)，但現在，他(ta)們正試圖往(wang)多(duo)功能(neng)(neng)集成方面去發展，不(bu)僅讓材料具有基(ji)本的(de)光(guang)熱轉(zhuan)換功能(neng)(neng)，還需同時兼容(rong)其(qi)他(ta)功能(neng)(neng)。

由于(yu)擁(yong)有卓越的(de)集(ji)熱性能，這(zhe)種(zhong)新材料還可以應用(yong)在海水淡化、溫差(cha)發(fa)電(dian)、水伏發(fa)電(dian)、濕度發(fa)電(dian)等方面，為解決能源危機、緩解淡水資源短缺等問題提供(gong)了新的(de)思路和方法。“

新材料可為(wei)海(hai)上浮標提供能源，而不必(bi)再耗時耗力(li)去更(geng)換電池(chi)。這些成(cheng)果正在逐(zhu)步推廣和(he)應用。”相(xiang)關人(ren)員介紹說。

此外(wai)，隨著研究的發展和深入，研究團隊還發現了(le)這種(zhong)新材料(liao)在人體(ti)可穿戴(dai)健康檢測傳感器等方面(mian)的應(ying)用空(kong)間和潛力。

“如復合了新材料的(de)(de)聚丙烯酰胺—聚丙烯酸水凝膠，就表現出(chu)了出(chu)色的(de)(de)可塑(su)性、彈性以及(ji)穩(wen)定的(de)(de)應(ying)變—電壓響應(ying)，我們(men)把它佩戴到多名(ming)參與(yu)測(ce)試人員的(de)(de)指關節上進(jin)行了試驗(yan)，顯示其(qi)傳感能力(li)高度靈敏，能實時監測(ce)人體肌肉(rou)力(li)量和關節健康狀況。”相關人員說。