Исследователи из Центра трансляционных материалов (CTAM) в Технологическом университете Суинберна в Мельбурне, Австралия, разработали новую пленку на основе графена, которая может поглощать солнечный свет с эффективностью более 90 процентов, одновременно устраняя большинство потерь инфракрасного излучения - Впервые о таком подвиге было сообщено.
Результатом является эффективный метаматериал солнечного нагрева, который может быстро нагреваться до 83 градусов C (181 градус F) в открытой среде с минимальными потерями тепла. Предлагаемые применения для пленки включают сбор и хранение тепловой энергии, термоэлектричество и опреснение морской воды.
По словам Баохуа Цзя (Baohua Jia), директора-основателя CTAM, подавление потерь от теплового излучения, также известного как излучение черного тела, при одновременном поглощении солнечного света имеет решающее значение для эффективного солнечного теплового поглотителя, но его чрезвычайно сложно достичь. «Это потому, что в зависимости от поглощенного тепла и свойств поглотителя температура излучения различается, что приводит к значительным различиям в длине волны», - объясняет она. «Но мы разработали трехмерный структурированный графеновый метаматериал (SGM), который обладает высокой абсорбционной способностью и избирательно отфильтровывает излучение черного тела».
3D SGM состоит из 30-нанометровой пленки чередующихся графеновых и диэлектрических слоев, нанесенных на траншейную наноструктуру, которая выполняет двойную функцию в качестве медной подложки для усиления поглощения. Что еще более важно, подложка имеет матричную структуру, чтобы обеспечить гибкую настройку селективного поглощения по длине волны.
Графеновая пленка предназначена для поглощения света в диапазоне длин волн от 0,28 до 2,5 микрометров. А медная подложка структурирована таким образом, что она может действовать как селективный полосовой фильтр, который подавляет нормальное излучение энергии, генерируемой внутри черного тела. Это удерживаемое тепло затем служит для дальнейшего повышения температуры метаматериала. Следовательно, SGM может быстро нагреваться до 83 градусов C. Если для конкретного применения требуется другая температура, можно изготовить и настроить новую наноструктуру канавы, чтобы она соответствовала этой конкретной длине волны черного тела.
«В нашей предыдущей работе мы демонстрировали графеновый теплопоглощающий материал толщиной 90 нм», - говорит Баохуа. Хотя он мог нагреваться до 160 градусов C, «структура была более сложной, [включающей] четыре слоя: подложку, слой серебра, слой оксида кремния и слой графена. Наша новая двухслойная структура более проста и не требует вакуумного осаждения. А метод изготовления масштабируемый и недорогой ».
В новом материале также используется меньше графена за счет значительного уменьшения толщины пленки до одной трети, а его толщина способствует более эффективной передаче поглощенного тепла другим средам, таким как вода. Кроме того, пленка является гидрофобной, что способствует самоочищению, в то время как графеновый слой эффективно защищает медный слой от коррозии, помогая продлить срок службы метаматериала.
«Поскольку структурные параметры металлической подложки являются основными факторами, определяющими общую абсорбционную способность SGM, а не его внутренние характеристики, можно использовать разные металлы в соответствии с потребностями или стоимостью приложения», - говорит Кенг-Те Лин, ведущий автор статьи о метаматериал, недавно опубликованный в Nature Communications, а также научный сотрудник в университете Суинберн. Алюминиевая фольга также может быть использована для замены меди без ущерба для производительности, отмечает он.
Чтобы проверить конструкцию и стабильность метаматериала, исследователи изготовили прототип, используя стандартную лазерную нанотехнологию, самоорганизующееся покрытие из оксида графена и фотоиндуцированное восстановление.
«Мы использовали прототип пленки для производства чистой воды и достигли впечатляющего КПД солнечного излучения в 96,2%», - говорит Кенг-Тэ. «Это очень выгодно для производства чистой воды с использованием возобновляемых источников энергии».
Он добавляет, что метаматериал также может быть использован для сбора и преобразования энергии, выработки пара, очистки сточных вод, опреснения морской воды и термоэлектричества.Остается еще одна проблема - найти способ изготовления подложки с возможностью масштабирования.«Мы работаем с частной компанией Innofocus Photonics Technology, которая выпустила на рынок машину для нанесения покрытий для нанесения слоев графена и диэлектрика», - говорит Баохуа. «И мы удовлетворены этим. То, что мы сейчас ищем, - это подходящий метод для крупномасштабного производства медной подложки». Одна из возможностей, добавляет она, заключается в использовании процесса переката в рулон.
Между тем, исследователи продолжают оттачивать дизайн наноструктуры и повышать стабильность и эффективность поглощения SGM. «Что касается коммерциализации, - говорит Баохуа, - мы думаем, что это станет возможным через один-два года».
Подписывайтесь на канал — здесь будет много полезной информации, давайте попробуем не расставаться xD. Ставьте палец вверх — мне будет крайне приятно ощутить Вашу поддержку. Делитесь публикациями канала с друзьями и обсуждайте.
Источник: 20KV.RU
