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花(hua)苞狀玫瑰碳材料的內壁(bi)像一(yi)顆洋(yang)蔥頭，只有(you)一(yi)個很小(xiao)的開口，照(zhao)進(jin)來的光被限制在這個“小(xiao)口袋”里，光熱從(cong)小(xiao)口“逃逸”出(chu)去的幾率小(xiao)很多，從(cong)而提高了光熱轉換效(xiao)率。

近幾(ji)十年來，淡水(shui)資源缺乏和(he)能源危機(ji)已成(cheng)為(wei)全球范(fan)圍兩個急需解決的(de)問題。預計到2025年，將有近三分(fen)之二(er)的(de)國家陷入(ru)淡水(shui)短缺的(de)困境(jing)。與此(ci)同時，化(hua)石能源枯竭(jie)和(he)使用(yong)化(hua)石燃料造成(cheng)的(de)環境(jing)污染也困擾著(zhu)人類。

為了緩(huan)解淡(dan)水資源(yuan)(yuan)的短(duan)缺以(yi)及能源(yuan)(yuan)危機，人們(men)對(dui)利用太陽(yang)能等綠色能源(yuan)(yuan)來生產淡(dan)水和發(fa)電充(chong)滿期待(dai)。但支撐(cheng)這個美好愿(yuan)景(jing)的高效(xiao)光熱轉(zhuan)換材料，它(ta)必須同時具備高太陽(yang)能吸收(shou)性、高光熱轉(zhuan)換性、低成本以(yi)及良好的穩定(ding)性。

記者獲悉，研究團隊結合(he)學科優(you)勢(shi)和區(qu)域產業優(you)勢(shi)，在制備(bei)具有(you)優(you)異光吸收性和更高(gao)光熱轉換效率的(de)復合(he)材料方面取得(de)進(jin)展(zhan)。

在稀貴金屬王國淬煉高效光熱材料

數十年來，科(ke)研工作(zuo)者對不同的光熱材料(liao)進行了研究，并在一(yi)些區域形成了產業集群。

“傳統(tong)的太陽能集熱器裝置，是以納(na)米流體為集熱介質，它對太陽光(guang)輻射的吸收有限，并且對外熱損失較大，導致光(guang)熱轉(zhuan)換效率(lv)很低，其實際(ji)應用非常受限。”

研究(jiu)人(ren)員告(gao)訴(su)記者，近(jin)年來“界面太(tai)陽能(neng)光蒸(zheng)汽系(xi)統(tong)”引(yin)起了廣泛關注，該系(xi)統(tong)可以(yi)通過吸收器和(he)蒸(zheng)發(fa)(fa)器的優化(hua)構筑，實現高(gao)效水凈(jing)化(hua)處(chu)理(li)、能(neng)源(yuan)捕獲(huo)與熱(re)管(guan)理(li)、衛生滅菌以(yi)及發(fa)(fa)電。

光熱材料作為該(gai)轉(zhuan)換系統(tong)的(de)核心，其創新型(xing)構筑尤為關鍵，如何設計(ji)和制備優異(yi)的(de)光熱材料以實現(xian)高(gao)效(xiao)的(de)光蒸汽轉(zhuan)化至關重要。

影(ying)響系統(tong)光(guang)熱(re)轉換效(xiao)率的因素有很多，光(guang)熱(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的作用尤為關鍵。研究組通過稀貴金屬(shu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)基因工程研發的大數據和高通量制備平(ping)臺，利用稀貴金屬(shu)原料(liao)富(fu)集(ji)、產業鏈完(wan)善的優勢，對等離子(zi)體(ti)(ti)貴金屬(shu)、半導(dao)體(ti)(ti)和碳(tan)基材(cai)(cai)(cai)料(liao)進行(xing)復(fu)合研究。

“由于三者(zhe)的(de)協同效(xiao)應(ying)，使得金-鉬酸鉍-碳(tan)點復(fu)合材料具有97.1%的(de)光熱轉換(huan)效(xiao)率。特別是金納(na)米(mi)錐和碳(tan)點的(de)加入(ru)，能讓電子由鉬酸鉍轉移到金錐和碳(tan)點的(de)表面，有效(xiao)地抑制了(le)鉬酸鉍中電子-空(kong)穴對(dui)的(de)復(fu)合，從而(er)極大地增強了(le)材料的(de)光熱性能。”研究人員向記者(zhe)介紹(shao)。

此外，將(jiang)復(fu)合材料沉積在商用溫差發電(dian)片上(shang)，可制(zhi)成太陽能溫差發電(dian)器(qi)件。結果顯示，該(gai)器(qi)件具有增強的熱電(dian)性能，其輸出(chu)功率(lv)高達(da)每平方厘米97.4微(wei)瓦。

這(zhe)為高效光熱轉換材(cai)料的研(yan)究提供了重要實驗(yan)依據，同時也為海水淡化和新(xin)(xin)能源器件及系統研(yan)發帶來了新(xin)(xin)思路。

從大自然中獲取材料結構靈感

除了(le)材料的組分，微妙的結構也影(ying)響(xiang)著光熱轉換的效率。

作(zuo)為21世紀新材料領域的重(zhong)要發展方向(xiang)之一，仿生材料的研究融入(ru)信息(xi)通信、人工智能(neng)(neng)、創新制造等高新技術，逐(zhu)漸使傳(chuan)統意義(yi)上的結構材料與功能(neng)(neng)材料的分界(jie)消(xiao)失，實現材料的智能(neng)(neng)化(hua)、信息(xi)化(hua)、結構功能(neng)(neng)一體化(hua)。

此(ci)前(qian)，國內外研究新材(cai)料的科學家，次(ci)第將視線投射到光熱反射效率較高的結構領(ling)域，并從經過億萬(wan)年自(zi)然選(xuan)擇和進化的溫帶、寒帶常(chang)見(jian)植物身上(shang)獲得靈感，試(shi)圖低成本、高效率制造出新型材(cai)料。

“研(yan)究組的(de)(de)同學(xue)都會在外出旅行(xing)的(de)(de)時候找尋一些組織結(jie)構(gou)特別的(de)(de)植物，回來后(hou)進行(xing)碳化處理，試圖找到(dao)不同的(de)(de)結(jie)構(gou)，支持新(xin)復(fu)合材料結(jie)構(gou)的(de)(de)研(yan)究。”相(xiang)關人員說。

他(ta)們把常見的(de)(de)玫(mei)瑰(gui)、玉(yu)米(mi)秸稈(gan)以及咖啡(fei)3種(zhong)生物質碳化(hua)前(qian)后(hou)的(de)(de)三(san)維(wei)掃描圖像進行對比(bi)后(hou)發現(xian)，與咖啡(fei)碳材料的(de)(de)三(san)維(wei)雜(za)亂和不規則形狀相比(bi)，花(hua)苞狀玫(mei)瑰(gui)碳材料的(de)(de)內壁可以有效(xiao)地(di)對光進行全吸收，并在這(zhe)些受(shou)限空間內實現(xian)多級反(fan)射。“

因為這種結構像一顆洋蔥頭，只有一個很(hen)(hen)小(xiao)的開(kai)口(kou)，光進來(lai)之后，就(jiu)被限制在這個‘小(xiao)口(kou)袋(dai)’里，光熱從小(xiao)口(kou)‘逃逸’出去(qu)的幾率(lv)就(jiu)要小(xiao)很(hen)(hen)多，從而提高了光熱轉換(huan)效率(lv)。”

研究人員說，此外在玫瑰粉末(mo)3D折(zhe)(zhe)疊(die)花(hua)瓣狀結(jie)(jie)(jie)構中還可(ke)觀察到光(guang)的(de)(de)多(duo)(duo)重反射(she)，這一結(jie)(jie)(jie)構與(yu)中國折(zhe)(zhe)紙相似，光(guang)進行多(duo)(duo)重反射(she)的(de)(de)特殊結(jie)(jie)(jie)構面(mian)積，隨著折(zhe)(zhe)疊(die)花(hua)瓣結(jie)(jie)(jie)構的(de)(de)增(zeng)多(duo)(duo)而增(zeng)大(da)，可(ke)以獲得(de)高(gao)達99%的(de)(de)光(guang)吸收率。

同樣的原理也適用于玉米秸稈中圓柱(zhu)形通(tong)道微結構。“這(zhe)兩種結構都能夠有(you)效減少(shao)能量(liang)損(sun)失(shi)。”相關人員介紹(shao)。

玉米秸稈(gan)、玫瑰材料(liao)的(de)光(guang)熱(re)轉換效率分別可(ke)以(yi)達到93.4%和92.8%。由此可(ke)以(yi)看出，具有花苞狀結構的(de)玫瑰碳(tan)粉和圓柱狀的(de)玉米秸稈(gan)碳(tan)粉由于其微結構的(de)存在可(ke)吸(xi)收更多的(de)光(guang)。

但研究團隊并沒有直接利用(yong)生物(wu)質材料(liao)的(de)結構，而(er)是將其加以提(ti)煉、簡化，使材料(liao)的(de)結構更(geng)利于(yu)光熱轉(zhuan)換效能的(de)提(ti)升和制(zhi)備(bei)的(de)便利化。

“獲得植(zhi)物組(zu)織的(de)(de)原(yuan)始結(jie)構之后(hou)，我們(men)還想(xiang)加入納(na)米材(cai)(cai)料(liao)(liao)，把納(na)米材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)微觀序和生物質材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)宏觀序結(jie)合(he)起來，能夠讓新材(cai)(cai)料(liao)(liao)與光相互作用的(de)(de)波長范圍更寬(kuan)，也(ye)就是說(shuo)，形(xing)成兩個(ge)不同尺度(du)的(de)(de)有序結(jie)構的(de)(de)組(zu)合(he)。”相關(guan)人(ren)員說(shuo)。

新型復合材料應用前景廣闊

“與傳統(tong)的(de)(de)單(dan)組分光熱(re)材料(liao)如金、銀、二硫化鉬、碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)、石墨烯等(deng)相比較，我們所(suo)制(zhi)備材料(liao)的(de)(de)特點(dian)主(zhu)要表現在兩方面(mian)：多元材料(liao)的(de)(de)復合以(yi)及將(jiang)生物質(zhi)廢料(liao)變廢為寶。”

相關(guan)人員向記者介紹，他們已(yi)成(cheng)(cheng)功制(zhi)備(bei)的(de)金(jin)-鉬酸鉍-碳點等，是雜化(hua)多種材(cai)料組元(yuan)以(yi)獲(huo)得(de)的(de)復合材(cai)料，通過多元(yuan)材(cai)料之間的(de)協同作用，獲(huo)得(de)具有窄帶隙(xi)的(de)光熱材(cai)料，表現出優(you)于單組分甚至單組分所不具備(bei)的(de)性能，進而提升(sheng)光熱轉換效率；另一方面對(dui)成(cheng)(cheng)本低廉(lian)、易獲(huo)得(de)且環境友好型生物質廢料進行碳化(hua)處理，仍然保持其獨特的(de)原生微結構，可(ke)以(yi)進行高效光吸收和水運輸(shu)。

此前(qian)，傳統的光(guang)熱轉換材料就只考(kao)慮光(guang)熱這一項(xiang)，比(bi)如(ru)說通過光(guang)照，就有集熱的性能(neng)(neng)，但現在，他們正試(shi)圖往多功(gong)能(neng)(neng)集成方面去(qu)發展，不僅讓(rang)材料具有基本的光(guang)熱轉換功(gong)能(neng)(neng)，還需同時兼容其(qi)他功(gong)能(neng)(neng)。

由(you)于擁有卓(zhuo)越的集熱性能(neng)，這種新(xin)(xin)材料(liao)還可以(yi)應用(yong)在海水淡(dan)化、溫(wen)差發(fa)電、水伏(fu)發(fa)電、濕度發(fa)電等(deng)(deng)方(fang)面，為(wei)解決能(neng)源危機、緩解淡(dan)水資源短(duan)缺等(deng)(deng)問(wen)題提供了(le)新(xin)(xin)的思路和(he)方(fang)法。“

新(xin)材料可為海(hai)上浮標提供能源，而不必再耗(hao)時(shi)耗(hao)力去更換(huan)電池。這些成果(guo)正在逐步推廣(guang)和(he)應用(yong)。”相關人員(yuan)介紹(shao)說。

此外，隨著研(yan)究的(de)發(fa)展和深入，研(yan)究團隊(dui)還發(fa)現了(le)這種新材(cai)料在人體可穿戴(dai)健康檢測傳(chuan)感器等方面的(de)應用空間和潛力。

“如復(fu)合了(le)新材料(liao)的(de)聚(ju)丙烯酰(xian)胺—聚(ju)丙烯酸水凝(ning)膠，就(jiu)表現(xian)出了(le)出色(se)的(de)可(ke)塑性(xing)、彈性(xing)以(yi)及(ji)穩(wen)定的(de)應變—電(dian)壓響應，我們(men)把它(ta)佩戴到多(duo)名參與測試人員的(de)指關節上進(jin)行(xing)了(le)試驗，顯示其傳(chuan)感能力高(gao)度靈(ling)敏，能實時監測人體肌肉力量(liang)和(he)關節健康狀況。”相(xiang)關人員說。