Imee yli 90 prosenttia auringonvalosta! Australia kehitti uudentyyppisen grafeenikalvon!

Swinburnen teknillisen yliopiston Melbournessa, Australiassa sijaitsevan Center for Translational Atomaterials (CTAM) -keskuksen tutkijat ovat kehittäneet uuden grafeenikalvon, joka voi absorboida yli 90 prosenttia auringonvalosta samalla kun suurin osa infrapunalämpöpäästöhäviöistä eliminoituu, ja tämä on ensimmäinen raportti tästä saavutuksesta.

Tämä on erittäin tehokas aurinkoenergialla lämmitettävä metamateriaali, joka pystyy kuumenemaan nopeasti 83 celsiusasteeseen (181 astetta Fahrenheit) avoimessa ympäristössä minimaalisella lämpöhäviöllä. Kalvon ehdotettuihin sovelluksiin kuuluvat lämpöenergian talteenotto ja varastointi, aurinkolämpövoiman tuotanto ja meriveden suolanpoisto.

CTAM:n perustajajohtaja, professori Baohua Jia sanoi, että vaikka auringonvalon absorboiminen ja lämpösäteilyhäviön hillitseminen (tunnetaan myös mustan kappaleen säteilynä) on kriittistä tehokkaiden auringon lämmönvaimentimien kannalta, sitä on erittäin vaikea saavuttaa. "Tämä johtuu siitä, että absorboidusta lämmöstä ja absorboijan ominaisuuksista riippuen emissiolämpötila vaihtelee merkittävästi, mikä johtaa merkittävään eroon sen aallonpituudessa", hän selitti. Mutta olemme kehittäneet kolmiulotteisen strukturoidun grafeenimetamateriaalin (strukturoidut grafeenimetamateriaalit, SGM), joka on erittäin absorboiva ja joka voi selektiivisesti suodattaa mustan kappaleen säteilyn."

Tämä kolmiulotteisesti strukturoitu grafeenimetamateriaali koostuu 30-nanometrin paksuisesta vuorottelevasta grafeenikalvosta ja dielektrisestä kerroksesta, joka on kerrostettu kaivannon kaltaiselle nanorakenteelle, joka toimii kuparisubstraattina tehostaen absorptiota. Vielä tärkeämpää on, että substraatit on kuvioitu matriisijärjestelyyn aallonpituusselektiivisen absorption joustavan virittämisen mahdollistamiseksi.

Grafeenikalvot on suunniteltu absorboimaan valoa aallonpituuksilla 0,28-2,5 mikronia. Kuparisubstraatin rakenteen ansiosta se voi toimia selektiivisenä kaistanpäästösuodattimena, mikä vaimentaa sisäisesti tuotetun mustan kappaleen energian normaalia päästöä. Tämä säilynyt lämpö voi edelleen nostaa metamateriaalin lämpötilaa. Siksi SGM voi lämmetä nopeasti jopa 83 celsiusasteeseen. Jos tietyissä sovelluksissa vaaditaan erilaisia ​​lämpötiloja, voidaan valmistaa uusia kanavien nanorakenteita ja virittää ne vastaamaan tiettyjä mustan kappaleen aallonpituuksia. "Aiemmassa työssämme esitimme 90-nanometrisen grafeenin endotermisen materiaalin", sanoi professori Jia. Vaikka se voidaan lämmittää 160 celsiusasteeseen", sen rakenne on monimutkaisempi, ja se koostuu neljästä kerroksesta: substraatti, hopeakerros, piioksidikerros ja grafeenikerros. Uusi kaksikerroksinen rakenteemme on yksinkertaisempi eikä vaadi tyhjiötä pinnoitus. Valmistusmenetelmä Skaalautuva ja edulliset."

Uusi materiaali myös vähentää merkittävästi kalvon paksuutta kolmanneksella ja käyttää vähemmän grafeenia, ja sen ohuus auttaa siirtämään absorboitunutta lämpöä tehokkaammin muihin väliaineisiin, kuten veteen. Lisäksi kalvo on hydrofobinen, mikä auttaa itsepuhdistumaan, kun taas grafeenikerros suojaa tehokkaasti kuparikerrosta korroosiolta ja pidentää metamateriaalin käyttöikää.

"Koska metallisubstraatin rakenteelliset parametrit ovat tärkein tekijä, joka säätelee SGM:n yleistä absorptiokykyä sen luontaisten ominaisuuksien sijaan, eri metalleja voidaan käyttää riippuen sovelluksen tarpeista tai kustannuksista", sanoi Keng-Te Lin, joka äskettäin. julkaistu Nature Communicationsissa (Nature Communications), metamateriaaleja käsittelevän artikkelin johtava kirjoittaja ja tutkija Swinburnen yliopistossa. Hän huomautti, että alumiinifoliota voitaisiin käyttää myös kuparin korvaamiseen suorituskyvystä tinkimättä.

Keng-Te sanoi: "Käytimme prototyyppikalvoa tuottamaan puhdasta vettä ja saavutimme vaikuttavan aurinkohöyryn tehokkuuden 96,2 prosenttia. Tämä on erittäin kilpailukykyistä puhtaan veden sähköntuotannossa uusiutuvia energialähteitä käyttäen. tehokas."

Hän lisäsi, että metamateriaalia voitaisiin käyttää myös energiankeruu- ja muunnossovelluksissa, höyryvoiman tuotannossa, jäteveden puhdistuksessa, meriveden suolanpoistossa ja aurinkolämpövoiman tuotannossa.

Mutta yksi haaste, joka on jäljellä, on löytää tapa tehdä alustasta venyvä.

"Työskentelemme Innofocus Photonics Technologyn, yksityisen yrityksen kanssa, joka on kaupallistanut päällystyskoneen grafeeni- ja dielektristen kerrosten asettamiseksi", sanoi professori Jia. "Olemme tyytyväisiä siihen. Etsimme nyt tapaa tuottaa kuparisubstraatteja mittakaavassa." Yksi mahdollinen lähestymistapa, hän lisää, on roll-to-roll-prosessi.

Samaan aikaan tutkijat jatkavat nanorakenteen suunnittelun hienosäätöä parantaakseen SGM:n vakautta ja absorptiotehokkuutta. "Mitä tulee kaupallistamiseen", professori Jia sanoi, "uskomme sen olevan mahdollista yhden tai kahden vuoden sisällä."