基于還原氧化石墨烯的G-SSA，熱發(fā)射率降低了約95.8%

太陽，作為地球上萬物生靈的能量源泉，通過太陽光輻射的形式向地球輸送著約1.72E17瓦功率的能量，幾乎是人類文明當前能量消耗功率的近9千倍。圍繞太陽能的有效利用，人類一直以來展開了諸多探索，催生了太陽能光熱、光伏和光化學(xué)等諸多研究領(lǐng)域。太陽能光熱轉(zhuǎn)換是一種人們廣泛利用的能量轉(zhuǎn)換過程。幾乎所有材料都具備一定的吸收太陽光的能力，材料吸收光線之后將光能轉(zhuǎn)換并存儲為內(nèi)部晶格振動、電子碰撞的熱能。

然而，材料中的熱能是不容易保存的，吸光后的高溫材料總是通過自身熱輻射的形式將熱能耗散給更為低溫的周圍環(huán)境。通過調(diào)控材料表面光譜吸收性能，可以既有效地吸收太陽光能量，又抑制自身的熱輻射能量損耗，從而最大化利用太陽能光熱轉(zhuǎn)換，這種表面光學(xué)能源材料叫做選擇性吸收膜（Spectrally selective absorber，SSA）。自20世紀中旬由以色列科學(xué)家提出以來，SSA不斷發(fā)展至今，已廣泛應(yīng)用于太陽能熱利用、熱光伏、熱電等領(lǐng)域。

碳基吸光材料（如，炭黑，碳納米管等）一般具有高的太陽光吸收率（αsolar 》0.90），在許多太陽能轉(zhuǎn)換利用領(lǐng)域一直起著關(guān)鍵作用。然而，由于過高的熱輻射率（》95%），這些碳基材料也往往引起巨大的能量損失，進而阻礙了太陽光熱轉(zhuǎn)換利用效率。

清華大學(xué)程虎虎博士、曲良體教授團隊首次提出了一種基于還原氧化石墨烯的選擇性吸收膜（G-SSA）。通過簡單地調(diào)控石墨烯二維納米片的還原程度與還原氧化石墨烯（rGO）的鍍層厚度，不僅保證了高的太陽光吸收率（αsolar ≈ 0.92），同時具有碳材料中報道的最低熱發(fā)射率（≈4%）。與傳統(tǒng)的碳基吸光材料相比，G-SSA的熱發(fā)射率降低了約95.8%，并且G-SSA的光學(xué)截止波長在1.1-3.2 μm內(nèi)廣譜可調(diào)。更重要的是，這種簡便溶膠-凝膠法制備的G-SSA具備800℃下達96小時的耐熱性能，這是其他陶瓷基或者光子晶體基選擇性吸收膜所不容易達到的。基于G-SSA，他們發(fā)現(xiàn)，在太陽光照射下產(chǎn)生高溫使水具有超快的蒸汽逃逸速度（0.94 mg cm?2 s?1）。

該項工作將為發(fā)展耐高溫的選擇性吸收膜提供新的策略，并在太陽能光熱以及表面吸光調(diào)控等領(lǐng)域具有重要意義。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Science （DOI:10.1002/advs.201903125）上。

該論文第一作者為清華大學(xué)博士研究生廖啟華，研究工作受到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學(xué)基金，清華大學(xué)自主科研項目，清華-佛山研究院項目的支持。

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