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理想的太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)吸收(shou)體(ti)需要100%的吸收(shou)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光（可見和近(jin)紅(hong)外波(bo)段(duan)）并且完全抑制(zhi)由黑體(ti)輻射(she)引起的熱損失（紅(hong)外波(bo)段(duan)）。因此，具有可調帶寬，高效(xiao)的太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光波(bo)段(duan)的選擇性吸收(shou)能(neng)力(li)，是實(shi)現高效(xiao)率的太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)收(shou)集(ji)轉(zhuan)換的前提(ti)。

同時，從(cong)應用角度考慮，太(tai)陽能吸收(shou)體(ti)需要具有出色的(de)(de)(de)導熱(re)性(xing)和(he)穩定性(xing)，而且結構簡(jian)單(dan)易于大(da)面(mian)積生產制(zhi)備。盡管在過(guo)去的(de)(de)(de)文獻中已提出了多(duo)種針(zhen)對太(tai)陽光波段的(de)(de)(de)吸收(shou)體(ti)，但要在常規的(de)(de)(de)材料和(he)結構中同時滿足這(zhe)些(xie)條件，尤其(qi)是對黑體(ti)輻射(she)熱(re)損失（即所收(shou)集(ji)到(dao)的(de)(de)(de)熱(re)量以輻射(she)的(de)(de)(de)形式散發到(dao)空氣中，形成不必要的(de)(de)(de)熱(re)損耗）的(de)(de)(de)有效(xiao)壓制(zhi)具有很(hen)大(da)挑戰性(xing)。

創新研究

最(zui)近(jin)，澳大(da)利(li)(li)亞斯(si)威本科(ke)技大(da)學(xue)Centre for Translational Atomaterials(CTAM,轉化原(yuan)子材(cai)(cai)料(liao)(liao)中心)的(de)(de)賈(jia)寶(bao)華教(jiao)授(Prof.BaohuaJia)課題(ti)組提出了(le)一種三維納(na)米結構(gou)(gou)石(shi)墨烯(xi)(xi)超材(cai)(cai)料(liao)(liao)(structured graphenemeta materials,SGM)，如圖1(a)所示，該納(na)米結構(gou)(gou)石(shi)墨烯(xi)(xi)超材(cai)(cai)料(liao)(liao)利(li)(li)用(yong)了(le)下方溝槽狀金屬結構(gou)(gou)的(de)(de)波長選(xuan)擇(ze)性，以(yi)及超薄石(shi)墨烯(xi)(xi)超材(cai)(cai)料(liao)(liao)膜(mo)的(de)(de)寬帶無光學(xue)色散的(de)(de)特性與出色的(de)(de)熱傳導性，以(yi)實現大(da)角度高效率的(de)(de)太陽能光熱轉化。

圖1（a）3D納米(mi)結構石墨(mo)烯超(chao)材料(liao)（SGM）吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)結構的(de)概念圖。（b）理想(xiang)太(tai)陽能吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)體(ti)的(de)吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)光(guang)譜。理想(xiang)的(de)太(tai)陽能吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)體(ti)能夠(gou)有效(xiao)吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)（近(jin)乎100%的(de)）太(tai)陽光(guang)（紅色(se)陰影），并通過抑(yi)制熱輻射（藍(lan)色(se)虛(xu)線）使能量損失最小化(hua)。X表(biao)示黑(hei)體(ti)的(de)熱輻射被(bei)抑(yi)制。（c）在開放環(huan)境的(de)陽光(guang)下，SGM吸(xi)(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)膜的(de)照片(pian)（左）和熱圖像（右）。

此納米結構(gou)石墨烯超(chao)材(cai)料具有(you)優異(yi)的(de)太陽光(guang)譜選擇性（如圖1(b)所示）和全方向(xiang)性吸收(shou)，以及出色的(de)光(guang)熱(re)性能和高熱(re)穩(wen)定性。太陽能光(guang)熱(re)轉(zhuan)化效(xiao)率(lv)可(ke)以達到90.1%。該材(cai)料能夠高效(xiao)率(lv)的(de)加熱(re)水(shui)以產(chan)生水(shui)蒸氣，其蒸汽(qi)轉(zhuan)化效(xiao)率(lv)達到96.2%。

此外，這種(zhong)石(shi)墨(mo)烯(xi)超材料薄(bo)膜是使(shi)用(yong)低(di)(di)成本(ben)可大面積生產的化(hua)學法制作(zuo)(zuo)的，其設備已經被Innofocus Photonics Technology Pty Ltd.商業(ye)化(hua)。其溝槽狀(zhuang)納(na)米(mi)結構則使(shi)用(yong)激光納(na)米(mi)三維打(da)印的方法制作(zuo)(zuo)。因此，這種(zhong)納(na)米(mi)結構石(shi)墨(mo)烯(xi)超材料吸收膜可以(yi)實(shi)現低(di)(di)成本(ben)及規模(mo)化(hua)的加(jia)工制作(zuo)(zuo)。

該(gai)研(yan)(yan)究(jiu)團隊展示了納(na)米(mi)(mi)結構石(shi)墨(mo)烯(xi)超(chao)材料(liao)(liao)吸(xi)(xi)收(shou)膜在(zai)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱轉(zhuan)換(huan)中(zhong)的(de)優異性能(neng)，如圖1(c)所示。研(yan)(yan)究(jiu)結果顯(xian)示由于石(shi)墨(mo)烯(xi)超(chao)材料(liao)(liao)吸(xi)(xi)收(shou)膜超(chao)薄(30nm)且高吸(xi)(xi)收(shou)的(de)特性，其(qi)在(zai)太(tai)(tai)陽(yang)光(guang)(guang)照射(she)下溫(wen)度可(ke)以迅(xun)速上升到83℃，明顯(xian)高于目前最優的(de)厚吸(xi)(xi)收(shou)體（升溫(wen)到60℃）。這種石(shi)墨(mo)烯(xi)超(chao)材料(liao)(liao)為(wei)基于二維材料(liao)(liao)的(de)大面積(ji)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)收(shou)集和強吸(xi)(xi)收(shou)光(guang)(guang)子轉(zhuan)換(huan)器件(jian)(jian)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)及應用(yong)開(kai)辟(pi)了新途(tu)徑。此外，這種納(na)米(mi)(mi)結構石(shi)墨(mo)烯(xi)超(chao)材料(liao)(liao)具(ju)有更廣泛的(de)用(yong)途(tu)，如太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱能(neng)量轉(zhuan)換(huan)、海水淡化，熱發射(she)源(yuan)、光(guang)(guang)調制(zhi)器、探測(ce)器等器件(jian)(jian)。

該工(gong)作(zuo)發表在Nature Communications上(shang)，是賈寶華教授領導的(de)埃米材料轉化中心(xin)(CTAM)既2019年實現90納米石(shi)墨烯完(wan)美吸收(shou)體后(hou)的(de)又一力作(zuo)。對探索石(shi)墨烯在清潔能源的(de)高(gao)效(xiao)利用方面，有實際(ji)意義(yi)。