香港科大AM:?溶液法制備全陶瓷等離基元超材料，助力低、高溫光熱轉換

引言：

可再生能源的成本和效率決定了我們向低碳生活轉變的進程。太陽能的熱利用被認為是一種極具性價比的，可收集全譜太陽輻射的技術，產生的清潔熱能惠及多個領域，從低溫（<200°C）的建筑和工業用熱，海水淡化，光熱催化，到高溫（>600°C）的下一代聚光太陽能熱發電和熱光伏發電。光熱系統的綜合性能很大程度上取決于太陽能吸熱涂層的穩定性和光熱轉換效率。其中吸熱涂層的光熱轉換效率由其太陽能吸收率和熱損失共同決定。紅外熱輻射與溫度的四次方成正比，被認為是吸熱涂層最主要的熱損失途徑之一。光譜選擇性太陽能吸熱涂層（selective solar absorber，SSA）在太陽輻射所處的紫外，可見和近紅外范圍（0.3-2.5 μm）有極高的吸收率， 但在中紅外波段（>2.5 μm）有極低的吸收率（即發射率）以抑制熱輻射，因此可獲得遠高于黑體材料的光熱效率。

過去幾十年，經過學術界和工業界的共同努力，低溫和高溫SSA領域都取得了巨大進展。但該領域目前尚缺少可以同時高效服役于低、中、高溫光熱系統的通用SSA。更為重要的是，目前制造高性能的低溫或高溫SSA均需要高精尖的超凈室工藝，如濺射，蒸鍍，和光刻等，導致其制造成本難以進一步降低，阻礙了光熱系統的大規模部署。因此目前該領域迫切需要技術革新來開發低成本、高效率、低中高溫通用的SSA。

研究成果：

近日，香港科技大學黃寶陵教授團隊與合作者報道了一種溶液法制備的全陶瓷超材料SSA，可應用于100-727°C范圍內的多種太陽能熱利用系統。該全陶瓷SSA由氮化鈦（TiN）紅外反射層，TiN納米顆粒吸收層，和二氧化硅（SiO₂）減反層組成。由于局域表面等離子體共振效應，TiN納米顆粒對可見光有極強的吸收，同時這種陶瓷顆粒具有耐高溫性。將緊密排列的TiN納米顆粒鋪在具有強反射性的基底上，構成了非對稱Fabry-Perot共振腔，多次的反射增加了光子與納米顆粒作用的有效光程，使得更長波的近紅外光也被高效吸收利用，但中紅外光遠離共振波長，因此無法被吸收。 該SSA的太陽能吸收率為95%，而低溫（100 °C）紅外輻射率為3%，在低、高溫均表現出優異的光譜選擇性。同時得益于其全陶瓷組成，真空耐熱溫度高達727°C。該SSA可采用旋涂、噴涂、刷涂等簡單工藝制備，無需超凈室設備，其中實驗室旋涂制備的SSA成本僅為1.59美元每平米，遠低于市場主流的德國進口SSA的價格，約10美元每平米。采用大規模卷對卷制造技術，該SSA成本有望進一步降低。此研究為大多數太陽能熱利用系統提供了一種低成本的、高效的、通用的SSA，有望推動太陽能熱利用技術的更大規模部署。相關成果以“Solution-Processed All-Ceramic Plasmonic Metamaterials for Efficient Solar-Thermal Conversion over 100-727°C”為題發表在國際著名期刊Advanced Materials上，香港科技大學博士后研究員李洋為第一作者。

圖文導讀：

圖1 該全陶瓷SSA的結構圖及溶液法制備工藝：（a）3D結構圖；（b）橫截面SEM圖；（c）溶液旋涂法制備工藝及以硅片為基底的SSA。

圖2 TiN納米顆粒制備吸熱膜的寬帶選擇性吸收：（a）超聲分散TiN納米顆粒制備膜的吸收光譜；（b）膜的SEM圖；（c）超聲分散TiN納米顆粒的TEM圖；（d）球磨TiN納米顆粒制備膜的吸收光譜；（e）膜的SEM圖；（f）球磨TiN納米顆粒的TEM圖；（g）球磨TiN納米顆粒制備膜（TiN反射基底）的吸收光譜；（h）球磨TiN納米顆粒尺寸分布；（i）TiN反射基底，涂覆TiN納米顆粒后，以及進一步涂覆SiO₂后的吸收光譜。

圖3 全陶瓷SSA的光學綜合性能與機理：（a）SSA的全光譜UV-visible-IR吸收曲線，以及AM 1.5G標準太陽能光譜，727 °C黑體輻射光譜；（b）SSA的FDTD模擬吸收光譜，其中納米顆粒層的吸收光譜，和孤立納米顆粒層的吸收光譜對比；（c）SSA各入射角度的太陽光吸收率；（d）SSA與各波長范圍光的作用機理；（e）SSA在不同波長的截面電場強度分布。

圖4 全陶瓷SSA的光譜選擇性和熱穩定性：（a）SSA低溫選擇性與已報道的高性能SSA和商用SSA對比；（b）SSA低溫光熱效率與已報道的高性能SSA和商用SSA對比；（c）SSA不同溫度和不同聚光系數下的光熱效率；（d）SSA高選擇性與已報道的高性能SSA和商用SSA對比；（e）SSA高溫光熱效率與已報道的高性能SSA和商用SSA對比；（f）SSA熱穩定性測試前后吸收光譜對比；（g）橫截面SEM對比；（h）XRD曲線對比；（i）SIMS曲線對比。

圖5 光熱性能評估與大面積制造：（a）一個標準太陽下，全陶瓷SSA與商用SSA和碳基近黑體吸熱涂層的溫升對比；（b）夏天戶外陽光照射下的溫升對比；（c）戶外測量裝置結構圖；（d）噴涂法制備的大面積柔性SSA。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005074

該團隊近期光熱轉換領域代表性成果：

1. Yang Li, Chongjia Lin, Zuoxu Wu, Zhongying Chen, Cheng Chi, Feng Cao, Deqing Mei, He Yan, Chi-Yan Tso, Christopher Chao, Baoling Huang*. Solution-Processed All-Ceramic Plasmonic Metamaterials for Efficient Solar-Thermal Conversion over 100-727 C. Advanced Materials, 2005074,

2. Yang Li#, Chongjia Lin#, Jingyuan Huang#, Baoling Huang*. Spectrally Selective Absorbers/Emitters for Solar Steam Generation and Radiative Cooling-Enabled Atmospheric Water Harvesting. Global Challenges, 2020, 2000058. (Invited review)

3. Yang Li, Dan Zhou, Chongjia Lin, Yiming An, Dezhao Li, Cheng Chi, He Huang, Shihe Yang, Baoling Huang*. Scalable All-Ceramic Nanolms as Highly Efficient and Thermally Stable Selective Solar Absorbers. Nano Energy, 64, 103947, 2019.

4. Yang Li, Dezhao Li, Dan Zhou, Cheng Chi, Shihe Yang, Baoling Huang*. “Efficient, Scalable, and High-Temperature Selective Solar Absorbers Based on Hybrid-Strategy Plasmonic Metamaterials.” Solar RRL, 2(8), 1800057, 2018. (Back cover)

能量儲存領域代表性成果：

1. Cheng Chi, Dezhao Li, Yang Li, Xin Qi, He Huang, Qi Wang, Chongjia Lin, Xing Zhang, Weigang Ma, Baoling Huang*. Silicon-nanoforest-based Solvent-free Micro-supercapacitor with Ultrahigh Spatial Resolution via IC-compatible In-situ Fabrication for On-chip Energy Storage. Journal of Materials Chemistry A, 8, 22736, 2020.

2. Muhammad Ihsan-Ul-Haq, He Huang, Junxiong Wu, Jiang Cui, Shanshan Yao, Woon Gie Chong, Baoling Huang*, Jang-Kyo Kim*. Thin solid electrolyte interface on chemically bonded Sb2Te3/CNT composite anodes for high performance sodium ion full cells. Nano Energy, 71, 104613, 2020.

3. He Huang, Yuewang Yang, Cheng Chi, Hong-Hui Wu, Baoling Huang*. Phase stability and fast ion transport in P2-type layered Na2X2TeO6 (X= Mg, Zn) solid electrolytes for sodium batteries. Journal of Materials Chemistry A, 8, 22816, 2020.

本文由作者供稿。