【科技前沿】刘忠范Adv. Mater.：多级结构石墨烯泡沫用于高效太阳能-热能转换

【引言】

如何实现高效的太阳能-热能转化是如何有效利用太阳能的关键问题之一，其实现依赖于高效光热转化材料的设计和探索。碳基材料，特别是石墨烯，具有宽光谱吸收性质和优异的光热转换性能等优点，被看作是一种理想的光热转换材料，有望用于太阳能-热能转化领域，展现出广阔的应用前景。然而，迄今为止，已报道的石墨烯基光热转换材料的转换效率还有待提高，并且难以实现不同光照角度下的高效光吸收。

【成果简介】

近日，北京大学刘忠范院士、彭海琳教授（共同通讯）等人报道了通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长的，具有连续孔隙的多级结构石墨烯泡沫（h-G泡沫）。其结构特点在于在多孔的三维石墨烯泡沫骨架上构筑了垂直石墨烯纳米片阵列结构。在光学上，这种结构即使在小角度入射角下，仍保持高效的光吸收和很小的反射，该性质有利于材料在真实自然环境下的光热转化应用。作为光热转换材料，h-G泡沫可以实现约93.4％太阳能-热能转换效率。此外，h-G泡沫由于具有优异的抗腐蚀性能且质量较轻，因而适用于便携式光热转换应用，例如污水处理和海水淡化。其中，海水淡化应用的太阳蒸气转化效率超过90％，超过了大部分已有的光热转换材料，且具有良好的耐久性和循环使用性能。相关成果以题为“Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion”发表在了Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 多级石墨烯泡沫的结构和可控生长

a）普通石墨烯泡沫(G泡沫)和h-G泡沫之间的太阳光热转换差异的示意图

b）h-G泡沫的光学图像及柔性展示

c）h-G泡沫体在低放大倍数下的SEM图像

d）石墨烯骨架边缘的SEM图像

e）h-G泡沫的典型TEM图像

图2 h-G泡沫的光吸收和热转化

a）h-G泡沫，G泡沫和镍泡沫的光学图像

b，c）h-G泡沫（红色），G泡沫（黑色）和镍泡沫（橄榄色）的透射光谱和漫反射光谱

d）入射角实验示意图，其中基底为隔热泡沫

e）h-G泡沫和G泡沫在标准太阳光下不同入射角的红外图像

f）h-G泡沫（橙色），G泡沫（绿色）和镍泡沫（蓝色）在不同光强下的温度-时间变化曲线

图3 h-G泡沫微观结构光吸收的计算结果

a）不同入射角下具有由不同长度石墨烯纳米片的组成的h-G泡沫及G泡沫的每单位投影面积的光吸收吸收的计算结果

b）三种结构石墨吸收光谱的计算模拟

c-e）三种结构的横截面在600nm处的电场分布

图4 h-G泡沫用于太阳能聚热蒸发法海水淡化的示意图及海水淡化系统性能

a）实验中使用的太阳能聚热蒸发装置及冷却收集装置的结构前视图

b）使用h-G泡沫下的太阳能聚热蒸发装置在竖直方向的温度分布

c）在光照下使用h-G泡沫的装置产生水蒸气的照片

d由不同长度纳米片组成的h-G泡沫的蒸发性能对比

e）有无h-G泡沫的海水的平均蒸发速率

f）（e）相应的太阳能蒸汽转化效率

g）海水淡化前后实际海水样品中五种主要离子的浓度

图5盐析出对海水淡化系统性能的影响和循环使用稳定性

a）长时间连续使用下蒸发性能

b）用于海水淡化实验后的h-G泡沫骨架上析出盐的SEM图像

c）用水洗涤后，h-G泡沫上同一位置的SEM图像

d，e）对应于（b）和（c）的区域的X射线能量散射光谱

f）经过冲洗后h-G泡沫的蒸发速率的循环稳定性

【小结】

该研究通过PECVD的方法制备了h-G泡沫，其中生长在泡沫结构表面上的石墨烯纳米片可显著提高光吸收效率。，该材料设计中竖直的石墨烯纳米片结构还会使h-G泡沫的光吸收与入射角无关，满足实际应用中太阳高度角的持续变化的需求。该成果所提出的h-G泡沫多级结构的设计可为光热转换材料的设计提供新思路，从而促进水处理和海水淡化等各个领域的发展。

文献链接：Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201702590）

北京大学刘忠范课题组简介

北京大学刘忠范院士课题组，主要从事纳米碳材料和二维原子晶体材料的控制制备合成、低维材料化学以及能量转化应用的相关研究。该课题组发展了纳米碳材料的化学气相沉积生长方法学，建立了精确调控碳纳米管、石墨烯等碳材料结构的系列生长方法，并使用高质量的新型低维碳材料构筑新型纳米能量转化器件与可穿戴器件。

团队在该领域工作汇总

太阳能-热能的高效转换是实现太阳能利用的重要方式，其实现有赖于发展和设计有效的光热转化材料。具有广谱光吸收特性的碳基材料，展现出了良好的光热性能，因而有望作为光热材料，实现太阳能-热能的高效转换。不过，迄今为止，这类材料还难以实现不同光照角度下的高效光吸收，造成在实际应用中效率较低。在光学上，基于低维碳材料的竖直纳米片阵列结构，在不同的入射角下，均能有效地增加光吸收、减小光反射，这有利于材料的持续升温。利用这种设计思路，该团队设计并制备了多级石墨烯泡沫材料和石墨双炔基多级结构材料，发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201702590) （第一作者：任华英、汤淼、关宝璐）和Chemistry of Materials (DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b01838) （第一作者：高鑫、任华英）。

相关领域工作列表

高效光热转化用于蒸发水的材料分类与性能汇总

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