劉忠范Adv. Mater.：多級結構石墨烯泡沫用于高效太陽能-熱能轉換

【引言】

如何實現高效的太陽能-熱能轉化是如何有效利用太陽能的關鍵問題之一，其實現依賴于高效光熱轉化材料的設計和探索。碳基材料，特別是石墨烯，具有寬光譜吸收性質和優異的光熱轉換性能等優點，被看作是一種理想的光熱轉換材料，有望用于太陽能-熱能轉化領域，展現出廣闊的應用前景。然而，迄今為止，已報道的石墨烯基光熱轉換材料的轉換效率還有待提高，并且難以實現不同光照角度下的高效光吸收。

【成果簡介】

近日，北京大學劉忠范院士、彭海琳教授（共同通訊）等人報道了通過等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）生長的，具有連續孔隙的多級結構石墨烯泡沫（h-G泡沫）。其結構特點在于在多孔的三維石墨烯泡沫骨架上構筑了垂直石墨烯納米片陣列結構。在光學上，這種結構即使在小角度入射角下，仍保持高效的光吸收和很小的反射，該性質有利于材料在真實自然環境下的光熱轉化應用。作為光熱轉換材料，h-G泡沫可以實現約93.4％太陽能-熱能轉換效率。此外，h-G泡沫由于具有優異的抗腐蝕性能且質量較輕，因而適用于便攜式光熱轉換應用，例如污水處理和海水淡化。其中，海水淡化應用的太陽蒸氣轉化效率超過90％，超過了大部分已有的光熱轉換材料，且具有良好的耐久性和循環使用性能。相關成果以題為“Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion”發表在了Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 多級石墨烯泡沫的結構和可控生長

a）普通石墨烯泡沫(G泡沫)和h-G泡沫之間的太陽光熱轉換差異的示意圖

b）h-G泡沫的光學圖像及柔性展示

c）h-G泡沫體在低放大倍數下的SEM圖像

d）石墨烯骨架邊緣的SEM圖像

e）h-G泡沫的典型TEM圖像

圖2 h-G泡沫的光吸收和熱轉化

a）h-G泡沫，G泡沫和鎳泡沫的光學圖像

b，c）h-G泡沫（紅色），G泡沫（黑色）和鎳泡沫（橄欖色）的透射光譜和漫反射光譜

d）入射角實驗示意圖，其中基底為隔熱泡沫

e）h-G泡沫和G泡沫在標準太陽光下不同入射角的紅外圖像

f）h-G泡沫（橙色），G泡沫（綠色）和鎳泡沫（藍色）在不同光強下的溫度-時間變化曲線

圖3 h-G泡沫微觀結構光吸收的計算結果

a）不同入射角下具有由不同長度石墨烯納米片的組成的h-G泡沫及G泡沫的每單位投影面積的光吸收吸收的計算結果

b）三種結構石墨吸收光譜的計算模擬

c-e）三種結構的橫截面在600nm處的電場分布

圖4 h-G泡沫用于太陽能聚熱蒸發法海水淡化的示意圖及海水淡化系統性能

a）實驗中使用的太陽能聚熱蒸發裝置及冷卻收集裝置的結構前視圖

b）使用h-G泡沫下的太陽能聚熱蒸發裝置在豎直方向的溫度分布

c）在光照下使用h-G泡沫的裝置產生水蒸氣的照片

d由不同長度納米片組成的h-G泡沫的蒸發性能對比

e）有無h-G泡沫的海水的平均蒸發速率

f）（e）相應的太陽能蒸汽轉化效率

g）海水淡化前后實際海水樣品中五種主要離子的濃度

圖5鹽析出對海水淡化系統性能的影響和循環使用穩定性

a）長時間連續使用下蒸發性能

b）用于海水淡化實驗后的h-G泡沫骨架上析出鹽的SEM圖像

c）用水洗滌后，h-G泡沫上同一位置的SEM圖像

d，e）對應于（b）和（c）的區域的X射線能量散射光譜

f）經過沖洗后h-G泡沫的蒸發速率的循環穩定性

【小結】

該研究通過PECVD的方法制備了h-G泡沫，其中生長在泡沫結構表面上的石墨烯納米片可顯著提高光吸收效率。，該材料設計中豎直的石墨烯納米片結構還會使h-G泡沫的光吸收與入射角無關，滿足實際應用中太陽高度角的持續變化的需求。該成果所提出的h-G泡沫多級結構的設計可為光熱轉換材料的設計提供新思路，從而促進水處理和海水淡化等各個領域的發展。

文獻鏈接：Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201702590）

北京大學劉忠范課題組簡介

北京大學劉忠范院士課題組，主要從事納米碳材料和二維原子晶體材料的控制制備合成、低維材料化學以及能量轉化應用的相關研究。該課題組發展了納米碳材料的化學氣相沉積生長方法學，建立了精確調控碳納米管、石墨烯等碳材料結構的系列生長方法，并使用高質量的新型低維碳材料構筑新型納米能量轉化器件與可穿戴器件。

團隊在該領域工作匯總

太陽能-熱能的高效轉換是實現太陽能利用的重要方式，其實現有賴于發展和設計有效的光熱轉化材料。具有廣譜光吸收特性的碳基材料，展現出了良好的光熱性能，因而有望作為光熱材料，實現太陽能-熱能的高效轉換。不過，迄今為止，這類材料還難以實現不同光照角度下的高效光吸收，造成在實際應用中效率較低。在光學上，基于低維碳材料的豎直納米片陣列結構，在不同的入射角下，均能有效地增加光吸收、減小光反射，這有利于材料的持續升溫。利用這種設計思路，該團隊設計并制備了多級石墨烯泡沫材料和石墨雙炔基多級結構材料，發表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201702590)?（第一作者：任華英、湯淼、關寶璐）和Chemistry of Materials (DOI:?10.1021/acs.chemmater.7b01838) （第一作者：高鑫、任華英）。

相關領域工作列表

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本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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