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澳大利亞墨爾本斯威本科技(ji)大學(xue)(Swinburne University of Technology)轉化原子(zi)材(cai)料中(zhong)心(Center for Translational Atomaterials，CTAM)的研(yan)究人員(yuan)開(kai)發了一種(zhong)新型(xing)石(shi)墨烯薄膜，這(zhe)種(zhong)薄膜可以吸收(shou)90%以上(shang)的太陽(yang)(yang)光，同時(shi)消(xiao)除了大部分紅外熱(re)(re)發射損失(shi)，這(zhe)是該項壯(zhuang)舉的首次報道。這(zhe)是一種(zhong)高(gao)效的太陽(yang)(yang)能加熱(re)(re)超材(cai)料，能夠在(zai)開(kai)放環境中(zhong)以最小的熱(re)(re)損失(shi)快速(su)加熱(re)(re)到83攝氏度(181華氏度)。該薄膜的擬議應用包括熱(re)(re)能收(shou)集和儲(chu)存、光熱(re)(re)發電和海水淡化。

CTAM創(chuang)始董(dong)事賈(jia)寶華教授表示(shi)，在吸(xi)(xi)收(shou)(shou)太陽光的同時抑制(zhi)熱(re)輻射(she)(she)損失(也稱為黑體(ti)輻射(she)(she))對(dui)于高(gao)效的太陽能熱(re)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)器至關(guan)重要，但(dan)要實(shi)現(xian)這(zhe)(zhe)一(yi)目(mu)標卻極為困難。她解釋說：“這(zhe)(zhe)是因為，根據(ju)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)的熱(re)量和吸(xi)(xi)收(shou)(shou)體(ti)的特(te)性，發射(she)(she)溫(wen)度不同，導致其(qi)波長有(you)顯著差異。但(dan)是我們已經開發出了一(yi)種三(san)維結構(gou)的石(shi)墨烯超材料(liao)(structured graphenemeta materials,SGM)，它具有(you)很(hen)高(gao)的吸(xi)(xi)收(shou)(shou)性，可以選擇性地濾(lv)除黑體(ti)輻射(she)(she)。”

這(zhe)種三(san)維結構(gou)的石(shi)墨烯超材料(liao)由一層(ceng)30納米(mi)厚的交替石(shi)墨烯薄膜(mo)和沉積(ji)在溝槽狀納米(mi)結構(gou)上的介電層(ceng)組成，該結構(gou)兼作銅襯底以增強(qiang)吸收(shou)。更重要的是，所述(shu)基板(ban)以矩陣排列來圖案化(hua)，以使得波長選擇性吸收(shou)的柔性可調諧(xie)性。

石墨烯薄(bo)膜的(de)(de)設計(ji)吸收波長(chang)在0.28到(dao)(dao)2.5微米之(zhi)間(jian)的(de)(de)光。銅基板的(de)(de)結(jie)構使得它(ta)可(ke)以作(zuo)為選擇性(xing)帶通濾(lv)波器，抑制內部產(chan)生的(de)(de)黑(hei)體能量的(de)(de)正常(chang)發射。這樣保留的(de)(de)熱量可(ke)以進一步(bu)提高超(chao)材料的(de)(de)溫度。因此(ci)，SGM可(ke)以快速加熱到(dao)(dao)83攝氏度。如果特定應用(yong)需要不(bu)同的(de)(de)溫度，可(ke)以制備(bei)和調諧(xie)新的(de)(de)溝(gou)道(dao)納米結(jie)構，以匹配特定的(de)(de)黑(hei)體波長(chang)。“在我們(men)之(zhi)前的(de)(de)工(gong)作(zuo)中，我們(men)展示了一種90納米石墨烯吸熱材料，”賈教授說(shuo)。雖然它(ta)可(ke)以加熱到(dao)(dao)160攝氏度，“但(dan)它(ta)的(de)(de)結(jie)構更(geng)為復雜(za)，包括四層(ceng)：基底、銀層(ceng)、氧化硅層(ceng)和石墨烯層(ceng)。我們(men)的(de)(de)新雙層(ceng)結(jie)構更(geng)簡單(dan)，不(bu)需要真空(kong)沉積。制造(zao)方(fang)法可(ke)擴(kuo)展且成本低(di)。”

這種新材(cai)料(liao)還將薄膜厚度顯(xian)著減少(shao)到三分之一而(er)使用了較少(shao)的石(shi)墨烯，其薄度有(you)(you)助(zhu)于(yu)更(geng)有(you)(you)效(xiao)地將吸收(shou)的熱量傳(chuan)遞到其他介質，如(ru)水。此外(wai)，薄膜是疏水性的，這有(you)(you)助(zhu)于(yu)自(zi)我清(qing)潔，而(er)石(shi)墨烯層(ceng)有(you)(you)效(xiao)地保護銅(tong)層(ceng)免受腐蝕，有(you)(you)助(zhu)于(yu)延長超材(cai)料(liao)的壽命。

“由于金屬基底(di)的(de)結構參(can)數是(shi)控制SGM整體吸(xi)收性能的(de)主(zhu)要因素，而不(bu)是(shi)其固有特性，因此可以(yi)根據應(ying)用(yong)需求(qiu)或成(cheng)本使用(yong)不(bu)同的(de)金屬，”Keng-Te Lin說(shuo)，他(ta)是(shi)最近(jin)發表在《自(zi)然通訊(Nature Communications)》上的(de)一(yi)篇關(guan)于超(chao)材料(liao)的(de)論文的(de)主(zhu)要作者，也(ye)是(shi)Swinburne大學的(de)研究員。他(ta)指出，鋁箔也(ye)可以(yi)用(yong)來代替銅，而不(bu)會(hui)影響性能。

Keng-Te說：“我們利用原型機(ji)薄膜來生(sheng)產清(qing)潔的(de)水，并獲得了96.2%的(de)令人印象深刻(ke)的(de)太陽能-蒸汽效率。對于使(shi)用可(ke)再生(sheng)能源的(de)清(qing)潔水發電來說，這是非(fei)常有競爭力(li)的(de)。”

他補充說，這種超材料(liao)還可(ke)以用于能量收集(ji)和轉換應用、蒸汽發電(dian)、廢水凈化(hua)、海水淡化(hua)和光熱發電(dian)。

但仍(reng)然存在的一個挑戰是(shi)找到(dao)一種制造方法(fa)，使基(ji)板可(ke)伸縮。

“我們正在與一(yi)家私營(ying)公司Innofocus Photonics Technology合作，該公司已將一(yi)臺(tai)涂層機商業化，用(yong)于鋪設石墨烯和介(jie)電層，”賈(jia)教授說。“我們對(dui)此感到滿意(yi)。我們現在正在尋(xun)找一(yi)種(zhong)適(shi)合大規模生(sheng)產銅基板的方法。”她(ta)補充道，一(yi)種(zhong)可(ke)能的方法是采用(yong)roll-to-roll工藝。

同時，研究人員還在繼續微(wei)調納(na)米結構設計，提高SGM的(de)穩定性和吸收效率。“至(zhi)于商(shang)業化(hua)，”賈教授說，“我們認為(wei)這在一(yi)到(dao)兩年(nian)內(nei)是可能的(de)。”