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不久前，美國東北大學博士(shi)畢(bi)業(ye)生田(tian)彥培擔任(ren)第一(yi)作者、鄭義(yi)教授擔任(ren)通訊作者的論文，剛剛發表在Nano Energy上(shang)。

論文題為《光譜選(xuan)擇(ze)性(xing)的一種新策略：選(xuan)擇(ze)性(xing)刻蝕合金(jin)實(shi)現選(xuan)擇(ze)性(xing)等離(li)子體太陽能吸收和紅(hong)外抑制(zhi)》（A New Strategy towards Spectral Selectivity: Selective Leaching Alloy to Achieve Selective Plasmonic Solar Absorption and Infrared Suppression）。

提出選擇性刻蝕反應的策略

該研(yan)究要解決的(de)問題在(zai)于，多年來在(zai)學界和業界中，太陽能(neng)的(de)光(guang)熱(re)利(li)用(yong)均被(bei)看做(zuo)是(shi)高效、環保且可再生的(de)能(neng)源利(li)用(yong)形(xing)式。

而光(guang)(guang)譜選擇性太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)吸(xi)收(shou)器，具備低成本、低紅(hong)外熱(re)(re)發(fa)射率、太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)吸(xi)收(shou)率高、熱(re)(re)穩定性高等優(you)點，因此在光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換應用中扮演著重要角色，比如太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱(re)(re)、太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)海水淡化、光(guang)(guang)熱(re)(re)催化和聚光(guang)(guang)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)發(fa)電系統。

作為(wei)幾種(zhong)金(jin)屬(shu)元素(su)的原(yuan)子(zi)混合(he)(he)(he)物(wu)，合(he)(he)(he)金(jin)是一種(zhong)具有某種(zhong)增強特性(xing)(xing)（比(bi)如強度或硬度）混合(he)(he)(he)物(wu)，這種(zhong)物(wu)質由一種(zhong)主要金(jin)屬(shu)成(cheng)分和其(qi)他輔(fu)助金(jin)屬(shu)或非(fei)金(jin)屬(shu)成(cheng)分組(zu)成(cheng)。在傳統的選擇性(xing)(xing)刻蝕中(zhong)，合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)的電(dian)化學活性(xing)(xing)元素(su)，會被選擇性(xing)(xing)溶(rong)解(jie)的方式形成(cheng)納米結構。

其中，黑(hei)色金屬(shu)多孔納米(mi)結(jie)構，具備內表面積較大的(de)特(te)性，其能夠有(you)效(xiao)散射太(tai)陽(yang)光波、可高效(xiao)捕獲和吸收太(tai)陽(yang)能等特(te)點，因此是一種優秀的(de)光熱轉換材料。

日前，田彥培(pei)和(he)導師鄭義教(jiao)授，借助選擇(ze)性刻蝕反應的策略，把廣譜和(he)高反射(she)的鋁(lv)合(he)金轉變成等離子體納米結(jie)構選擇(ze)性太(tai)陽能吸收器 (PNSSAs)。

利用表面等離子(zi)體共振的(de)策略，通過在合金(jin)表面自組(zu)裝形成銅納(na)米結構薄膜，從而形成可調節的(de)光譜選擇性、高效且全向的(de)太陽(yang)能(neng)吸收率(lv)、較低的(de)熱(re)發射率(lv)、和優異的(de)熱(re)機(ji)械穩定性的(de)太陽(yang)能(neng)吸收器。

圖 | 相關論(lun)文（來源：Nano Energy）

據介(jie)紹，上述策略也(ye)適用于其他合金(jin)比如不(bu)銹(xiu)鋼和高(gao)溫(wen)合金(jin)，從而可用于在(zai)中高(gao)溫(wen)下(xia)工作的太陽能光熱系統。

在制備上，可(ke)通(tong)過溶液(ye)法方法造出 PNSSAs，實驗室的加工(gong)(gong)成本只有 0.735 美元每平方米(mi)。而且，它可(ke)被輕(qing)松集成到(dao)工(gong)(gong)業規(gui)模的卷(juan)對卷(juan)工(gong)(gong)藝中，無需依(yi)賴既(ji)復雜、又昂(ang)貴的真空(kong)沉(chen)積和光刻(ke)技術(shu)。

圖1 | 通過(guo)選擇性刻蝕獲得(de)光譜選擇性來制造 PNSSA 的示意圖（來源：Nano Energy）

研(yan)究(jiu)中，田彥培使(shi)用溫度(du)為 40℃ 的熱堿溶液去處理(li) 2024 鋁合金（一種高強度(du)硬鋁）的表面(mian)，鑒于主體(ti)元素(su)-鋁可被堿溶液溶解，剩下的銅、鋅(xin)等微量(liang)元素(su)會殘留在(zai)合金表面(mian)，進(jin)而形(xing)成納米(mi)結構。

另據悉(xi)，在納米(mi)尺寸(cun)下，銅會(hui)對太(tai)陽光(guang)（0.3 ~ 2.5 m）產生(sheng)光(guang)譜吸(xi)收能力，由于它(ta)的納米(mi)結構(gou)厚(hou)度(du)和(he)(he)尺寸(cun)為(wei)數百納米(mi)量(liang)級(ji)，無法和(he)(he)紅外光(guang)產生(sheng)共振（2.5 ~ 20 m）, 因此(ci)會(hui)對紅外光(guang)展現出高透性。

不過(guo)，鋁(lv)合金基(ji)底可(ke)對(dui)紅外光產生高(gao)反(fan)射(she)。銅納米結(jie)構(gou)和高(gao)反(fan)射(she)鋁(lv)基(ji)底形成的結(jie)構(gou)可(ke)對(dui)太陽(yang)能產生高(gao)吸(xi)收(shou)、并(bing)對(dui)紅外光產生高(gao)反(fan)射(she)，這(zhe)便是一個光譜選擇性太陽(yang)能吸(xi)收(shou)器的誕生過(guo)程。

對不同入(ru)射角度的太陽光和(he)紅外光，該吸收(shou)(shou)器均分別體現出外高吸收(shou)(shou)性(xing)和(he)高反射特性(xing)，故此可省去(qu)太陽能追光設備的成本。

圖 2 | 材料表征和表面(mian)等離子體(ti)共振(zhen)模擬（來源：Nano Energy）

由上(shang)圖(tu)可知，未(wei)經處理的(de)鋁合金表面(mian)會有微米級的(de)小凸(tu)起，而(er)經過熱堿溶液處理的(de)鋁合金表面(mian)，則呈現(xian)出凹(ao)凸(tu)不平的(de)納米結(jie)構，這種(zhong)區別也體現(xian)在(zai) AFM（原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope）表面(mian)形態圖(tu)形中。

從能譜儀元素分析可以看出，銅和鎂隨機散(san)布在鋁合金表面，鋁和銅的晶型則可從 X 射線衍射譜看出。

其中，圖 2g 和(he)圖 2h，描述了太(tai)陽能吸收器的工作原理(li)，具體(ti)來(lai)說(shuo)銅(tong)的納米(mi)結(jie)構(gou)負責對太(tai)陽光(guang)進(jin)行高吸收，而(er)銅(tong)的納米(mi)結(jie)構(gou)也具備對中紅(hong)外波(bo)(bo)段(duan)的高透(tou)性(xing)，底(di)部(bu)鋁合金的基底(di)則(ze)對中紅(hong)外波(bo)(bo)段(duan)具有(you)高反射性(xing)。

圖 3 | 可調節(jie)的(de)選擇性太陽能吸收性能（來(lai)源：Nano Energy）

田彥培發現(xian)，紅外(wai)發射率(lv)和熱轉(zhuan)換(huan)效率(lv)、以(yi)及由(you)不同方法(fa)制備的(de) PNSSAs 的(de)銅納(na)米(mi)結構(gou)特征的(de)尺寸(cun)分布，會隨著氫氧化(hua)鈉水溶液的(de)濃(nong)度(du)、反應時間(jian)的(de)不同和溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)而變(bian)化(hua)。

此外(wai)(wai)，當結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)尺寸增(zeng)大、結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)厚(hou)度(du)增(zeng)加(jia)，銅(tong)納米結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)對(dui)太陽光(guang)的(de)(de)(de)吸收率也(ye)會逐漸提(ti)高，同時還可保持對(dui)紅外(wai)(wai)光(guang)的(de)(de)(de)高反(fan)射(she)特(te)性。借助調節(jie)初始熱(re)堿溶液的(de)(de)(de)濃度(du)、反(fan)應時間和反(fan)應溫(wen)度(du)，即可調節(jie)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)對(dui)太陽光(guang)的(de)(de)(de)吸收特(te)性，結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)轉變波長也(ye)可被改變。

分(fen)析(xi)銅納米結構(gou)的(de)尺寸分(fen)布之后，田彥培發(fa)現，當反應濃度、反應時間和反應溫(wen)度都增加時，銅納米結構(gou)的(de)尺寸也會(hui)增大。

圖 4 | 光譜(pu)選擇性的熱和(he)機(ji)械穩定性測試(shi)（來源(yuan)：Nano Energy）

由(you)上(shang)圖可知，高(gao)溫下的(de)光譜穩(wen)定性(xing)，是衡(heng)量太陽(yang)能(neng)吸收器(qi)性(xing)能(neng)的(de)重要指標。經過 192 小時和 200°C 的(de)高(gao)溫穩(wen)定性(xing)實驗，銅納米(mi)結構(gou)的(de)光譜穩(wen)定性(xing)、晶(jing)型和表(biao)面(mian)結構(gou)得以保持(chi)。而對瞬時高(gao)溫的(de)不敏感性(xing)，也是設計太陽(yang)能(neng)吸收器(qi)的(de)要點之一(yi)。

而(er)再經過2 小時 、400°C的(de)(de)高(gao)溫(wen)不敏感性(xing)實驗可知，該結構的(de)(de)光譜穩(wen)定性(xing)和(he)變(bian)面形態并未(wei)出現明(ming)(ming)顯(xian)改變(bian)，同時結構的(de)(de)機(ji)械(xie)粘附穩(wen)定性(xing)也證明(ming)(ming)了(le)本次設計策略的(de)(de)穩(wen)定性(xing)。

圖 5 | 室內光熱性能測試(shi)（來(lai)源：Nano Energy）

可用于制造經濟高效的可行性空間太陽能電池陣列模擬器

據悉，在(zai)一(yi)個(ge)標準(zhun)太陽光(guang)譜（1kWm-2）的(de)照(zhao)射下，真空腔中改結構(gou)達到 165°C 的(de)穩態溫度。在(zai)不同太陽光(guang)照(zhao)和日光(guang)照(zhao)射下的(de)實(shi)驗(yan)中，也證明了該結構(gou)具有(you)良好的(de)光(guang)熱(re)轉換能力。

此(ci)外，田彥培利用(yong)熱堿溶液選擇性刻蝕合金的策(ce)略(lve)，使用(yong) 7075 標號的鋁(lv)合金（一(yi)種冷處理鍛壓合金）。

綜(zong)上，田彥(yan)培和團隊開發(fa)出一(yi)種基于(yu)(yu)溶液處理的選擇性(xing)刻蝕反應的新(xin)策略，可(ke)用(yong)于(yu)(yu)經濟高效的可(ke)行性(xing)空間太陽能電池陣(zhen)列模(mo)擬器制(zhi)造。

研究中(zhong)，他(ta)們獲(huo)得的(de)等離子體富銅納米結(jie)構，具有寬(kuan)帶太陽能吸收和壓制中(zhong)紅外損耗等特(te)征，它可均勻(yun)地組裝在合金紅外反(fan)射器上。

而反射器的(de)制備并不(bu)復雜：將鋁合金(jin)表面層(ceng)，以選擇性的(de)方(fang)式溶解在熱(re)堿溶液(ye)中，即可制備出來。

概括來說，這種銅納米結構的(de)表面等離子體共振(zhen)，一旦被激發出(chu)來，就能(neng)具(ju)備(bei)廣泛特征尺寸分布的(de)特點。

此外(wai)，由于納米多孔銅結構內發(fa)生了多次反射和吸收(shou)(shou)增強，這會產生有(you)效的(de)全向太(tai)陽(yang)能吸收(shou)(shou)率，因此該(gai)策(ce)略也可(ke)讓其他合金，在經過電化學選擇性蝕(shi)刻之后，用于中(zhong)高溫太(tai)陽(yang)能熱應用。