Absorbujte více než 90 procent slunečního záření! Austrálie vyvinula nový typ grafenového filmu!

Výzkumníci z Center for Translational Atomaterials (CTAM) na Swinburne University of Technology v Melbourne v Austrálii vyvinuli nový grafenový film, který dokáže absorbovat více než 90 procent slunečního záření a současně většina ztrát infračerveného tepelného záření je eliminována. první zpráva o tomto výkonu.

Jedná se o vysoce účinný metamateriál pro solární ohřev schopný rychle se zahřát na 83 stupňů Celsia (181 stupňů Fahrenheita) v otevřeném prostředí s minimálními tepelnými ztrátami. Navrhované aplikace pro fólii zahrnují sběr a skladování tepelné energie, výrobu solární tepelné energie a odsolování mořské vody.

Zakládající ředitel CTAM Prof. Baohua Jia řekl, že zatímco absorbování slunečního světla při současném potlačení ztráty tepelného záření (také známého jako záření černého tělesa) je kritické pro účinné solární tepelné absorbéry, je extrémně obtížné toho dosáhnout. "Je to proto, že v závislosti na absorbovaném teple a vlastnostech absorbéru se výrazně liší emisní teplota, což má za následek výrazný rozdíl v jeho vlnové délce," vysvětlila. Vyvinuli jsme však trojrozměrný strukturovaný metamateriál grafenu (metamateriály strukturovaného grafenu, SGM), který je vysoce absorpční a dokáže selektivně odfiltrovat záření černého tělesa."

Tento trojrozměrně strukturovaný metamateriál grafenu se skládá z 30-nanometru silného střídajícího se grafenového filmu a dielektrické vrstvy nanesené na nanostrukturu podobnou příkopu, která slouží jako měděný substrát pro lepší absorpci. Ještě důležitější je, že substráty jsou vzorovány v maticovém uspořádání, které umožňuje flexibilní laditelnost selektivní absorpce vlnové délky.

Grafenové filmy jsou navrženy tak, aby absorbovaly světlo o vlnových délkách mezi 0,28 a 2,5 mikronu. Struktura měděného substrátu mu umožňuje působit jako selektivní pásmový filtr, který potlačuje normální emisi vnitřně generované energie černého tělesa. Toto zadržené teplo může dále zvýšit teplotu metamateriálu. Proto se SGM dokáže rychle zahřát až na 83 stupňů Celsia. Pokud jsou pro konkrétní aplikace vyžadovány různé teploty, lze vyrobit a vyladit nové nanostruktury kanálů tak, aby odpovídaly konkrétním vlnovým délkám černého tělesa. "V naší předchozí práci jsme demonstrovali 90-nanometrový grafenový endotermický materiál," řekl profesor Jia. I když se dá zahřát na 160 stupňů Celsia," jeho struktura je složitější a skládá se ze čtyř vrstev: substrát, vrstva stříbra, vrstva oxidu křemíku a vrstva grafenu. Naše nová dvouvrstvá struktura je jednodušší a nevyžaduje vakuum Metoda výroby Škálovatelná a nízká cena.“

Nový materiál také výrazně snižuje tloušťku filmu o třetinu a používá méně grafenu a jeho tenkost pomáhá efektivněji přenášet absorbované teplo do jiných médií, jako je voda. Fólie je navíc hydrofobní, což napomáhá samočištění, zatímco grafenová vrstva účinně chrání měděnou vrstvu před korozí a pomáhá tak prodloužit životnost metamateriálu.

"Vzhledem k tomu, že strukturální parametry kovového substrátu jsou hlavním faktorem řídícím celkovou absorpční výkonnost SGM, spíše než jeho vlastní vlastnosti, mohou být použity různé kovy v závislosti na potřebách aplikace nebo ceně," řekl Keng-Te Lin, který nedávno publikoval v Nature Communications (Nature Communications), hlavní autor článku o metamateriálech a výzkumník na Swinburne University. Poznamenal, že hliníkovou fólii lze také použít k nahrazení mědi, aniž by došlo ke snížení výkonu.

Keng-Te řekl: "Použili jsme prototyp membrány k výrobě čisté vody a dosáhli jsme působivé účinnosti solární páry 96,2 procenta. To je velmi konkurenceschopné pro výrobu energie z čisté vody s využitím obnovitelných zdrojů energie."

Dodal, že metamateriál by mohl být také použit v aplikacích pro získávání a přeměnu energie, výrobu parní energie, čištění odpadních vod, odsolování mořské vody a výrobu solární tepelné energie.

Ale jeden problém, který zůstává, je najít způsob, jak udělat substrát roztažitelný.

"Pracujeme se soukromou společností Innofocus Photonics Technology, která komercializovala potahovací stroj pro pokládání grafenových a dielektrických vrstev," řekl profesor Jia. "Jsme s tím spokojeni. Nyní hledáme způsob, jak vyrábět měděné substráty v měřítku." Jedním z možných přístupů, dodává, je proces roll-to-roll.

Mezitím výzkumníci pokračují v dolaďování designu nanostruktur, aby se zlepšila stabilita a absorpční účinnost SGM. "Pokud jde o komercializaci," řekl profesor Jia, "myslíme si, že je to možné během jednoho až dvou let."