TiN納米顆粒實現太陽能利用新突破

材料牛注：日本國立研究所材料納米構造中心的科學家們利用TiN納米顆粒實現陽光的高效吸收，從而提高能源利用效率。

（a）利用納米顆粒的太陽能熱水系統（b）來自太陽能模擬器的冷凝光對溶有TiN納米顆粒的作用。需要注意的是即使在水溫升高前，上升的水蒸氣也可以被觀察到。

日本國立研究所（NIMS）材料納米構造中心（MANA）納米系統光子學組負責人Tadaaki Nagao和學者Satoshi Ishii的研究團隊通過數值計算發現，過渡金屬氮化物和碳化物納米顆粒能有效吸收陽光。同時實驗證實，當氮化物納米顆粒分散于水中時，會迅速提升水溫。通過有效利用陽光，這些納米顆粒可能被應用于水的加熱和蒸餾。

陽光是最具前景的可再生能源之一。陽光利用的實例有：利用太陽能電池發電和通過光熱轉換的方式（該過程中吸收的太陽光能夠被轉換為熱量）實現水加熱。水和空氣加熱占家庭能源消耗的55%。如果陽光可以高效地轉化為熱量，那么無需使用電能來加熱水和空氣將成為可能，從而減少二氧化碳的排放量。利用常規的太陽能集熱器和集熱管吸收陽光的方法會由于熱傳導方式導致熱量損失。由于納米顆粒分散在介質中時可直接加熱包括水在內的介質，因此而備受關注。

最近，該研究團隊和研究員Naoto Umezawa（日本國立研究所環境與能源材料部，環境修復材料團隊催化材料組高級研究員）共同通過第一性原理計算來尋找適合光熱轉換的納米顆粒材料，并估算其物理性能。研究團隊發現，過渡金屬氮化物和碳化物——陶瓷能夠高效吸收陽光。此外，在將氮化鈦（TiN）從眾多過渡金屬氮化物中挑選出后，研究團隊將TiN納米顆粒分散進水中，并對水溶液進行光照。在這項實驗中，研究團隊證實TiN納米顆粒能以接近90%的高效率將陽光轉化為熱量。由于TiN納米顆粒表現出寬帶等離子體共振，因此在每個納米顆粒基上TiN納米顆粒的陽光吸收效率可能比金、碳納米顆粒的更高。在未來的研究中，該團隊正計劃將所得成果應用于地熱、水熱、污水和海水的蒸餾上。除了這個項目，該研究團隊還致力于其他納米顆粒的應用，諸如介于聚合物和納米顆粒之間的高分子材料的發展、納米顆粒介導的化學反應研究。

原文鏈接：High efficient solar water heating achieved with nanoparticles

文獻鏈接：Titanium Nitride Nanoparticles as Plasmonic Solar Heat Transducers

本文由編輯部王宇提供素材，張恒編譯，劉宇龍審核。