近日，澳大利亞墨爾本斯威本科技大學(xué)(SwinburneUniversityofTechnology)轉(zhuǎn)化原子材料中心(CenterforTranslationalAtomaterials，CTAM)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型石墨烯薄膜，這種薄膜可以吸收90%以上的太陽(yáng)光，同時(shí)消除了大部分紅外熱發(fā)射損失，這是該項(xiàng)壯舉的首次報(bào)道。這是一種高效的太陽(yáng)能加熱超材料，能夠在開(kāi)放環(huán)境中以最小的熱損失快速加熱到83攝氏度(181華氏度)。該薄膜的擬議應(yīng)用包括熱能收集和儲(chǔ)存、光熱發(fā)電和海水淡化。

CTAM創(chuàng)始董事賈寶華教授表示，在吸收太陽(yáng)光的同時(shí)抑制熱輻射損失(也稱為黑體輻射)對(duì)于高效的太陽(yáng)能熱吸收器至關(guān)重要，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)卻極為困難。她解釋說(shuō)：“這是因?yàn)椋鶕?jù)吸收的熱量和吸收體的特性，發(fā)射溫度不同，導(dǎo)致其波長(zhǎng)有顯著差異。但是我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種三維結(jié)構(gòu)的石墨烯超材料(structuredgraphenemetamaterials,SGM)，它具有很高的吸收性，可以選擇性地濾除黑體輻射。”

這種三維結(jié)構(gòu)的石墨烯超材料由一層30納米厚的交替石墨烯薄膜和沉積在溝槽狀納米結(jié)構(gòu)上的介電層組成，該結(jié)構(gòu)兼作銅襯底以增強(qiáng)吸收。更重要的是，所述基板以矩陣排列來(lái)圖案化，以使得波長(zhǎng)選擇性吸收的柔性可調(diào)諧性。

石墨烯薄膜的設(shè)計(jì)吸收波長(zhǎng)在0.28到2.5微米之間的光。銅基板的結(jié)構(gòu)使得它可以作為選擇性帶通濾波器，抑制內(nèi)部產(chǎn)生的黑體能量的正常發(fā)射。這樣保留的熱量可以進(jìn)一步提高超材料的溫度。因此，SGM可以快速加熱到83攝氏度。如果特定應(yīng)用需要不同的溫度，可以制備和調(diào)諧新的溝道納米結(jié)構(gòu)，以匹配特定的黑體波長(zhǎng)。“在我們之前的工作中，我們展示了一種90納米石墨烯吸熱材料，”賈教授說(shuō)。雖然它可以加熱到160攝氏度，“但它的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括四層：基底、銀層、氧化硅層和石墨烯層。我們的新雙層結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，不需要真空沉積。制造方法可擴(kuò)展且成本低。”

這種新材料還將薄膜厚度顯著減少到三分之一而使用了較少的石墨烯，其薄度有助于更有效地將吸收的熱量傳遞到其他介質(zhì)，如水。此外，薄膜是疏水性的，這有助于自我清潔，而石墨烯層有效地保護(hù)銅層免受腐蝕，有助于延長(zhǎng)超材料的壽命。

“由于金屬基底的結(jié)構(gòu)參數(shù)是控制SGM整體吸收性能的主要因素，而不是其固有特性，因此可以根據(jù)應(yīng)用需求或成本使用不同的金屬，”Keng-TeLin說(shuō)，他是最近發(fā)表在《自然通訊(NatureCommunications)》上的一篇關(guān)于超材料的論文的主要作者，也是Swinburne大學(xué)的研究員。他指出，鋁箔也可以用來(lái)代替銅，而不會(huì)影響性能。

Keng-Te說(shuō)：“我們利用原型機(jī)薄膜來(lái)生產(chǎn)清潔的水，并獲得了96.2%的令人印象深刻的太陽(yáng)能-蒸汽效率。對(duì)于使用可再生能源的清潔水發(fā)電來(lái)說(shuō)，這是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的。”

他補(bǔ)充說(shuō)，這種超材料還可以用于能量收集和轉(zhuǎn)換應(yīng)用、蒸汽發(fā)電、廢水凈化、海水淡化和光熱發(fā)電。

但仍然存在的一個(gè)挑戰(zhàn)是找到一種制造方法，使基板可伸縮。

“我們正在與一家私營(yíng)公司InnofocusPhotonicsTechnology合作，該公司已將一臺(tái)涂層機(jī)商業(yè)化，用于鋪設(shè)石墨烯和介電層，”賈教授說(shuō)。“我們對(duì)此感到滿意。我們現(xiàn)在正在尋找一種適合大規(guī)模生產(chǎn)銅基板的方法。”她補(bǔ)充道，一種可能的方法是采用roll-to-roll工藝。

同時(shí)，研究人員還在繼續(xù)微調(diào)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高SGM的穩(wěn)定性和吸收效率。“至于商業(yè)化，”賈教授說(shuō)，“我們認(rèn)為這在一到兩年內(nèi)是可能的。”