科學(xué)家研發(fā)可控可擴(kuò)展納米層，在900℃高溫也能保持穩(wěn)定

聚光太陽(yáng)熱能是一種可再生能源技術(shù)，它依賴于太陽(yáng)的輻射。通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)百個(gè)定日鏡，可以將陽(yáng)光聚集到接收器上來(lái)收集能量，然后接收器會(huì)把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能。

通過(guò)使用一些比較經(jīng)濟(jì)的手段，這些熱量可以被很好地儲(chǔ)存起來(lái)，從而用于電網(wǎng)供電和生產(chǎn)鋼鐵等。因此，在聚光太陽(yáng)熱能技術(shù)中，太陽(yáng)能接收器扮演著重要角色。

一般情況下，接收器必須涂有一層高效的光吸收材料（涂層），以便在高溫運(yùn)行條件之下，增強(qiáng)太陽(yáng)熱能的轉(zhuǎn)換效率。而涂層的目標(biāo)便是要盡可能像黑體（blackbody）一樣達(dá)到 100% 的吸收率。

作為一種增強(qiáng)聚光太陽(yáng)熱能熱轉(zhuǎn)換的手段，多年來(lái)納米結(jié)構(gòu)得到了廣泛研究。例如，以聚光太陽(yáng)熱能涂層的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”P(pán)yromark 涂層為例，它原本是美國(guó)宇航局為阿波羅計(jì)劃而開(kāi)發(fā)的。

憑借易于延展的納米結(jié)構(gòu)、以及較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，Pyromark 涂層已被用于全球幾乎所有聚光太陽(yáng)能電站之中，包括中國(guó)的兆瓦級(jí)光熱電站。

但是，Pyromark 涂層中存在的納米結(jié)構(gòu)，是通過(guò)有機(jī)材料燃燒的固化過(guò)程所產(chǎn)生的，這一過(guò)程很難被人為控制，這就導(dǎo)致涂層的光學(xué)特性也很難被隨意改變。

而只有更加精確地調(diào)整納米級(jí)結(jié)構(gòu)，才能更好地調(diào)整材料的光學(xué)性能，例如在太陽(yáng)能電池（PV，Photovoltaic）的應(yīng)用中，納米級(jí)陣列結(jié)構(gòu)常常被使用。

然而，這通常需要復(fù)雜的沉積方法，并要依賴于相當(dāng)復(fù)雜的制造工藝比如光刻工藝。這時(shí)，就需要具備一定尺寸限制的真空室。而對(duì)于大尺寸的太陽(yáng)熱能接收器來(lái)說(shuō)，這是一種很難實(shí)現(xiàn)的制備條件。

在這種情況之下，人們開(kāi)始將一些易于制造的納米結(jié)構(gòu)用于太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)上，其中之一便是球形納米顆粒。但是當(dāng)處在高溫條件之時(shí)，這些納米材料在空氣中并不穩(wěn)定。

反之，一些在高溫中性質(zhì)仍能保持穩(wěn)定的納米材料比如 Pyromark 涂層，由于長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境之下，涂層中的納米材料會(huì)燒結(jié)，從而導(dǎo)致它的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)受到顯著影響，進(jìn)而影響吸收率。

為了解決這一問(wèn)題，澳大利亞國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種新方法：將高度可控的層級(jí)納米結(jié)構(gòu)，引入光熱接收器涂層之中。

這種層級(jí)納米結(jié)構(gòu)的源材料是二氧化硅，二氧化硅在高溫下仍能保持高度穩(wěn)定。

不同于傳統(tǒng)涂層中“自生長(zhǎng)”的納米結(jié)構(gòu)，在高溫條件之下這種層級(jí)納米結(jié)構(gòu)，可被用于任意太陽(yáng)能吸收器涂層或基材上，從而能夠增強(qiáng)其在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)吸收，讓其盡可能地接近 100％的理論黑體吸收值。

（來(lái)源：Nature Communications）

而層級(jí)納米結(jié)構(gòu)中的球形納米顆粒和基質(zhì)，可以很好地起到控制光吸收的作用。原因在于，通過(guò)調(diào)整球形納米的尺寸、覆蓋率和基質(zhì)厚度等，就能讓其光學(xué)特性得到改變。

針對(duì)所提出的層級(jí)納米結(jié)構(gòu)，課題組在不同底層太陽(yáng)能吸收材料上進(jìn)行了研究，例如在改變納米球尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，他們進(jìn)行了光學(xué)性能的分析。

測(cè)試結(jié)果顯示：這種納米結(jié)構(gòu)在初始條件之下、以及長(zhǎng)期高溫環(huán)境條件之下，都能極大提升原有太陽(yáng)能吸收材料的能力。

此外，他們還使用無(wú)人駕駛飛行器來(lái)對(duì)層級(jí)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴涂，借此提高了現(xiàn)有的高溫聚光太陽(yáng)熱能涂層的光學(xué)性能，并展示了納米層的可延展性。

之所以做這樣的驗(yàn)證是因?yàn)椋涸诰酃馓?yáng)熱能領(lǐng)域，可擴(kuò)展性是一種結(jié)構(gòu)或涂層能否被廣泛采用的關(guān)鍵所在。

（來(lái)源：Nature Communications）

總的來(lái)說(shuō)，課題組通過(guò)電磁建模的方法，探討了層級(jí)納米結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)能吸收器上的適用性，并展示了一種具備可擴(kuò)展空間的方法，即使用二氧化硅納米粒子大規(guī)模沉積，來(lái)增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收材料的吸收率。

最終，相關(guān)論文以《可用于高溫的穩(wěn)定型近基體太陽(yáng)能吸收可伸縮納米結(jié)構(gòu)》（Scalable nano-architecture for stable near-blackbody solar absorption at high temperatures）為題發(fā)在 Nature Communications[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications）

澳大利亞國(guó)立大學(xué)博士生 Yifan Guo 是第一作者，澳大利亞國(guó)立大學(xué)高級(jí)研究員胡安·特雷斯（Juan F.Torres）擔(dān)任通訊作者。

圖 | Yifan Guo（來(lái)源：Yifan Guo）

理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明，研究人員提出的層級(jí)納米結(jié)構(gòu)，不僅可以提高太陽(yáng)熱能接收器的光吸收率，同時(shí)也十分耐用，有望作為升級(jí)、翻新、或維護(hù)太陽(yáng)能吸收器的方法。

目前，市面上的接收器涂層每隔幾年性能就會(huì)出現(xiàn)大幅下降，每當(dāng)這時(shí)整個(gè)電站都要停止運(yùn)行，只要這樣才能對(duì)涂層進(jìn)行重新噴涂，從而達(dá)到和起初一樣的高吸收率。

但是，這是一種知易行難的方法。因?yàn)樗教?yáng)熱能的接收器可能像大型廣告牌一樣大，并且安裝在距地面 200 米的地方。

而該團(tuán)隊(duì)提出的層級(jí)納米結(jié)構(gòu)，只需采用簡(jiǎn)單噴涂的方法，就能提高已退化涂層的吸收率。

一般來(lái)說(shuō)，塔式太陽(yáng)能接收器的工作溫度為 600℃ 至 800℃，如果不進(jìn)行定期且昂貴的維護(hù)，現(xiàn)有涂層就無(wú)法處理這一溫度。

而研究人員提出的納米層，即便在 900℃ 以上的環(huán)境中也能保持穩(wěn)定，因此可用于現(xiàn)有涂層的維護(hù)。

另?yè)?jù)悉，該團(tuán)隊(duì)的不少成果都采取師法自然的思路。比如，本次提出的納米層，借鑒了飛蛾眼角膜的微型納米結(jié)構(gòu)，這是一種排列整齊的球形結(jié)構(gòu)。以這種結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)納米顆粒，有助于減少入射光的反射，從而增強(qiáng)吸收率。

除此之外，澳大利亞的“國(guó)石”——澳寶（opal）的主要成分是二氧化硅的水合物，這種水合物具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而這也正是課題組選擇二氧化硅作為納米層材料的原因之一。

此前，課題組還曾造出一種珊瑚狀涂層 [2]，這一成果則借鑒了珊瑚的結(jié)構(gòu)。

在珊瑚進(jìn)化的早期，珊瑚群落僅能生活在陽(yáng)光充足的淺水區(qū)。但當(dāng)進(jìn)入更深的海洋之時(shí)，它們長(zhǎng)出了凸起和突起，以便通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的多次反射來(lái)改善光捕獲。

研究人員通過(guò)對(duì)珊瑚進(jìn)行三維掃描、光學(xué)分析、光線追蹤，并對(duì)這些珊瑚形態(tài)中的光捕獲效應(yīng)進(jìn)行建模，借此模仿了不同長(zhǎng)度的珊瑚形態(tài)，從而在不同尺度的珊瑚狀涂層中實(shí)現(xiàn)了光捕獲，借此造出了一種太陽(yáng)熱能接收器涂層，其具備堅(jiān)固、耐用的特點(diǎn)。

針對(duì)這些成果，研究人員表示：“目前我們正在和一些聚光太陽(yáng)熱能電廠合作，將涂層應(yīng)用在即將建成的接收器上，并將測(cè)試是否會(huì)因晝夜循環(huán)以及天氣突然變化引起熱膨脹和熱收縮?！?/span>