淺談光熱轉(zhuǎn)換過程

太陽能轉(zhuǎn)換是對納米技術(shù)影響重大的領(lǐng)域。多種光譜技術(shù)用于探測納米粒子的特性和應(yīng)用。來自中國的研究人員最近發(fā)表了一篇關(guān)于用于太陽能轉(zhuǎn)換的碲納米顆粒的文章。他們采用拉曼光譜、紫外可見吸收光譜和暗場散射光譜來了解顆粒特性。該研究發(fā)表在Laser Focus World上，文章如下：

至少在過去十年中，“太陽能熱”技術(shù)(利用陽光將水轉(zhuǎn)化為蒸汽來驅(qū)動電動渦輪機或進(jìn)行海水淡化)對投資界來說非常有利。大約六年前，萊斯大學(xué)的研究人員將一些納米顆粒添加到冷水中，并將混合物暴露在陽光下時能夠產(chǎn)生蒸汽，納米顆粒開始進(jìn)入太陽能熱游戲。

從那時起，現(xiàn)在所謂的光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的許多工作都轉(zhuǎn)向了等離子體激元領(lǐng)域，該領(lǐng)域利用光子撞擊金屬表面時產(chǎn)生的電子波。然而，生產(chǎn)等離子體納米結(jié)構(gòu)肯定不像僅僅在水中添加一些納米顆粒那么簡單。

現(xiàn)在，中國的研究人員將納米粒子添加到水中的便利性與等離子體激元相結(jié)合，創(chuàng)造了一種光熱轉(zhuǎn)換過程，該過程超越了之前報道的所有等離子體或全電介質(zhì)納米粒子。中山大學(xué)(中國廣州)的研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上展示了他們聲稱的第一種在暴露于陽光下時同時具有類等離子體和全介電特性的材料。

該研究的合著者、中山大學(xué)教授 GW Yang 表示，實現(xiàn)這種組合的關(guān)鍵是使用碲 (Te) 納米粒子，它具有獨特的光學(xué)二象性。

通過將這些納米顆粒分散到水中，在太陽輻射下水的蒸發(fā)率提高了三倍。這使得可以在 100 秒內(nèi)將水溫從 29 攝氏度升高到 85 攝氏度。

“當(dāng) Te 納米顆粒小于 120 納米時，它的性能類似于等離子體納米顆粒，而當(dāng)這些納米顆粒大于 120 納米時，它的性能就像高折射率全電介質(zhì)納米顆粒，”Yang 說。Te 納米粒子之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種二元性，是因為它們具有較寬的尺寸分布(從 10 到 300 nm)。這種增強的吸收可以覆蓋整個太陽輻射光譜。

Te納米顆粒的另一個特性是，當(dāng)它被陽光激發(fā)時，激發(fā)能完全轉(zhuǎn)移到載流子(電子和空穴)上。這使得載流子失去平衡并進(jìn)入更高溫度的特殊動量狀態(tài)。”

楊解釋說，隨著系統(tǒng)向平衡演化，這些載流子會松弛。當(dāng)載流子散射時，會導(dǎo)致一種稱為庫侖熱化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象形成熱化載流子的熱氣體，與聲子耦合并將多余的能量轉(zhuǎn)移到晶格。這導(dǎo)致碲納米粒子的有效加熱。

對于這種用于商業(yè)海水淡化的方法，楊承認(rèn)，目前在液體中用納秒激光燒蝕生產(chǎn)碲納米顆粒的方法是有限的?！艾F(xiàn)在，我們正在嘗試通過其他方法制備碲納米顆粒，”他補充道。但由于碲納米粒子具有獨特的光學(xué)二元性，楊設(shè)想了該技術(shù)的其他應(yīng)用。“我們希望將它們應(yīng)用于傳感器或納米天線，”他說。

發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的論文摘要 詳細(xì)介紹了研究結(jié)果：

用于太陽能收集和光熱轉(zhuǎn)換的納米光子材料緩解全球能源危機迫切需要。我們證明，由具有寬尺寸分布的碲 (Te) 納米顆粒制成的寬帶吸收體可以吸收整個光譜中超過 85% 的太陽輻射。吸收體在陽光照射下的溫度可在100秒內(nèi)從29°C升至85°C。通過將Te納米顆粒分散到水中，在78.9 mW/cm2的太陽輻射下，水的蒸發(fā)速率提高了三倍。

這種光熱轉(zhuǎn)換超過了之前報道的等離子體或全介電納米粒子。我們還確定 Te 的獨特介電常數(shù)是高性能的原因。介電常數(shù)的實部在紫外-可見-近紅外區(qū)域經(jīng)歷從負(fù)到正的轉(zhuǎn)變，賦予Te納米粒子類等離子體和全介電二象性。由于類等離子體和米氏型共振的增強，總吸收覆蓋了太陽輻射的整個光譜。它是第一個報道的在太陽輻射區(qū)域同時具有類等離子體和全介電特性的材料。這些發(fā)現(xiàn)表明，Te 納米顆粒有望成為一種先進(jìn)的光熱轉(zhuǎn)換材料，用于太陽能水蒸發(fā)。

審核編輯 黃宇