30歲東北大學博士研發(fā)出選擇性吸收太陽能吸收器，可經(jīng)受192小時、200°C的高溫穩(wěn)定性實驗，留學歸來即將加入華科做博后

“在我的研究領域中，MIT 陳剛教授在我心里一直是行業(yè)標桿，他的很多學生已在美國和中國的知名高校任教。

其中，楊榮貴老師在輻射制冷和納米熱傳導方向的研究位居業(yè)內前沿，楊老師是美國科羅拉多大學波爾德分校的終身教授，并于 2018 年回國任教于華中科技大學。我也有幸能從 2022 年跟隨楊老師從事博士后研究。”美國東北大學博士畢業(yè)生田彥培表示，本月底他即將回國發(fā)展。

田彥培生于 1991 年，來自河南省平頂山市。本科畢業(yè)于哈爾濱工程大學，從大一下學期就跟著當時的班主任張鵬老師一起做關于太陽能光熱發(fā)電的項目。

大四畢業(yè)后，申請到美國羅德島大學攻讀博士學位，師從鄭義教授。2019 年，鄭老師入職美國東北大學，主要從事近場輻射換熱以及光譜調控的研究，他也跟隨導師轉學到美國東北大學直到博士畢業(yè)。

前不久，他擔任第一作者、鄭義教授擔任通訊作者的論文，剛剛發(fā)表在Nano Energy上。

論文題為《光譜選擇性的一種新策略：選擇性刻蝕合金實現(xiàn)選擇性等離子體太陽能吸收和紅外抑制》（A New Strategy towards Spectral Selectivity: Selective Leaching Alloy to Achieve Selective Plasmonic Solar Absorption and Infrared Suppression）。

該研究要解決的問題在于，多年來在學界和業(yè)界中，太陽能的光熱利用均被看做是高效、環(huán)保且可再生的能源利用形式。

而光譜選擇性太陽能吸收器，具備低成本、低紅外熱****率、太陽能吸收率高、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，因此在光熱轉換應用中扮演著重要角色，比如太陽能光熱、太陽能海水淡化、光熱催化和聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

作為幾種金屬元素的原子混合物，合金是一種具有某種增強特性（比如強度或硬度）混合物，這種物質由一種主要金屬成分和其他輔助金屬或非金屬成分組成。在傳統(tǒng)的選擇性刻蝕中，合金中的電化學活性元素，會被選擇性溶解的方式形成納米結構。

其中，黑色金屬多孔納米結構，具備內表面積較大的特性，其能夠有效散射太陽光波、可高效捕獲和吸收太陽能等特點，因此是一種優(yōu)秀的光熱轉換材料。

日前，田彥培和導師鄭義教授，借助選擇性刻蝕反應的策略，把廣譜和高反射的鋁合金轉變成等離子體納米結構選擇性太陽能吸收器 (PNSSAs)。

利用表面等離子體共振的策略，通過在合金表面自組裝形成銅納米結構薄膜，從而形成可調節(jié)的光譜選擇性、高效且全向的太陽能吸收率、較低的熱****率、和優(yōu)異的熱機械穩(wěn)定性的太陽能吸收器。

據(jù)介紹，上述策略也適用于其他合金比如不銹鋼和高溫合金，從而可用于在中高溫下工作的太陽能光熱系統(tǒng)。

在制備上，可通過溶液法方法造出 PNSSAs，實驗室的加工成本只有 0.735 美元每平方米。而且，它可被輕松集成到工業(yè)規(guī)模的卷對卷工藝中，無需依賴既復雜、又昂貴的真空沉積和光刻技術。

研究中，田彥培使用溫度為 40℃ 的熱堿溶液去處理 2024 鋁合金（一種高強度硬鋁）的表面，鑒于主體元素-鋁可被堿溶液溶解，剩下的銅、鋅等微量元素會殘留在合金表面，進而形成納米結構。

另據(jù)悉，在納米尺寸下，銅會對太陽光（0.3 ~ 2.5 μm）產(chǎn)生光譜吸收能力，由于它的納米結構厚度和尺寸為數(shù)百納米量級，無法和紅外光產(chǎn)生共振（2.5 ~ 20 μm）, 因此會對紅外光展現(xiàn)出高透性。

不過，鋁合金基底可對紅外光產(chǎn)生高反射。銅納米結構和高反射鋁基底形成的結構可對太陽能產(chǎn)生高吸收、并對紅外光產(chǎn)生高反射，這便是一個光譜選擇性太陽能吸收器的誕生過程。

對不同入射角度的太陽光和紅外光，該吸收器均分別體現(xiàn)出外高吸收性和高反射特性，故此可省去太陽能追光設備的成本。

由上圖可知，未經(jīng)處理的鋁合金表面會有微米級的小凸起，而經(jīng)過熱堿溶液處理的鋁合金表面，則呈現(xiàn)出凹凸不平的納米結構，這種區(qū)別也體現(xiàn)在 AFM（原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope）表面形態(tài)圖形中。

從能譜儀元素分析可以看出，銅和鎂隨機散布在鋁合金表面，鋁和銅的晶型則可從 X 射線衍射譜看出。

其中，圖 2g 和圖 2h，描述了太陽能吸收器的工作原理，具體來說銅的納米結構負責對太陽光進行高吸收，而銅的納米結構也具備對中紅外波段的高透性，底部鋁合金的基底則對中紅外波段具有高反射性。

田彥培發(fā)現(xiàn)，紅外****率和熱轉換效率、以及由不同方法制備的 PNSSAs 的銅納米結構特征的尺寸分布，會隨著氫氧化鈉水溶液的濃度、反應時間的不同和溫度變化而變化。

此外，當結構尺寸增大、結構厚度增加，銅納米結構對太陽光的吸收率也會逐漸提高，同時還可保持對紅外光的高反射特性。借助調節(jié)初始熱堿溶液的濃度、反應時間和反應溫度，即可調節(jié)結構對太陽光的吸收特性，結構的轉變波長也可被改變。

分析銅納米結構的尺寸分布之后，田彥培發(fā)現(xiàn)，當反應濃度、反應時間和反應溫度都增加時，銅納米結構的尺寸也會增大。

由上圖可知，高溫下的光譜穩(wěn)定性，是衡量太陽能吸收器性能的重要指標。經(jīng)過 192 小時和 200°C 的高溫穩(wěn)定性實驗，銅納米結構的光譜穩(wěn)定性、晶型和表面結構得以保持。而對瞬時高溫的不敏感性，也是設計太陽能吸收器的要點之一。

而再經(jīng)過 2 小時 、400°C 的高溫不敏感性實驗可知，該結構的光譜穩(wěn)定性和變面形態(tài)并未出現(xiàn)明顯改變，同時結構的機械粘附穩(wěn)定性也證明了本次設計策略的穩(wěn)定性。

據(jù)悉，在一個標準太陽光譜（1 kW m-2）的照射下，真空腔中改結構達到 165°C 的穩(wěn)態(tài)溫度。在不同太陽光照和日光照射下的實驗中，也證明了該結構具有良好的光熱轉換能力。

此外，田彥培利用熱堿溶液選擇性刻蝕合金的策略，使用 7075 標號的鋁合金（一種冷處理鍛壓合金）。

綜上，田彥培和團隊開發(fā)出一種基于溶液處理的選擇性刻蝕反應的新策略，可用于經(jīng)濟高效的可行性空間太陽能電池陣列模擬器制造。

研究中，他們獲得的等離子體富銅納米結構，具有寬帶太陽能吸收和壓制中紅外損耗等特征，它可均勻地組裝在合金紅外反射器上。

而反射器的制備并不復雜：將鋁合金表面層，以選擇性的方式溶解在熱堿溶液中，即可制備出來。

概括來說，這種銅納米結構的表面等離子體共振，一旦被激發(fā)出來，就能具備廣泛特征尺寸分布的特點。

此外，由于納米多孔銅結構內發(fā)生了多次反射和吸收增強，這會產(chǎn)生有效的全向太陽能吸收率，因此該策略也可讓其他合金，在經(jīng)過電化學選擇性蝕刻之后，用于中高溫太陽能熱應用。

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參考：

1、YanpeiTian. et al.Nano Energy 92, February 2022, 106717，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106717