金/石墨烯气凝胶的表面等离子体共振调控及在太阳能蒸汽中的应用研究

Metal nanostructures excites surface plasmon resonance under solar illumination, and then heat the adjacent liquid directly for steam generation, which could find potential applications in desalination, distillation, purification, and medical sterilization. Solar steam generation is important for the utilization of renewable energy in remote areas, especially for islands. This work addresses an issue on the sunlight with a wide spectral range but low energy flow density, and focuses on the efficiently convert solar energy into high-grade thermal energy in the form of steam. The composite materials with two functional domains of light absorbing and thermal insulating is designed. The morphology, size and composition of the functional units are simulated using surface plasma resonance absorption and effective medium theory, which can guide the synthesis of Au/graphene aerogel with three-dimensional porous structure. The integrating methods in supercritical CO2 environment for Au/graphene aerogel and their microstructure evolution mechanisms are explored. The enhancing effects of near field generated by localized surface plasmons on the light absorption of graphene are clarified, and then an effective way for absorbing the sunlight in a broad spectrum can be proposed. Based on the analysis of the thermodynamic behavior of steam bubbles and solar photothermal conversion mechanism, it would provide theoretical and technical reference for surface plasmon resonance engineering of metal/graphene composites and solar photothermal applications.

太阳光照射金属纳米结构激发其表面等离子体共振，直接加热邻近的液体产生蒸汽，这种太阳能蒸汽过程可用于海水淡化、蒸馏分离、饮用水净化、医用消毒灭菌等领域，对于偏远地区特别是海岛的可再生能源开发利用具有重要意义。本项目针对光谱范围宽但能流密度低的太阳光源，以将太阳能高效转换成蒸汽形式的高品位热能为研究目标。运用功能分区的方法，设计光吸收体与热绝缘层的复合功能材料，利用等离子体共振吸收理论和有效介质理论模拟各功能单元的形貌、尺寸和组成，指导三维多孔结构金/石墨烯气凝胶的合成。在超临界CO2环境中探索金/石墨烯气凝胶的复合工艺并分析微观结构的演化机理。阐明局域表面等离子激元产生的近场对石墨烯光吸收的增强效应，提出实现对太阳光宽光谱吸收的有效途径。在此基础上，分析蒸汽气泡的热动力学行为以期深入理解太阳能光热转换机理，为金属与石墨烯复合功能材料的表面等离子体共振调控以及太阳能光热利用提供理论和技术参考。

针对太阳能蒸汽效率较低的问题，本课题通过系统研究光吸收体与热绝缘层复合功能材料的微观结构及其局域表面等离子体共振（LSPR）特性。研究了金纳米棒的可控制备方法及其LSPR性能，通过改变实验中AgNO3、5-溴水杨酸以及种子溶液的量获得了长径比大于3的金纳米棒，LSPR纵向吸收峰随着长径比的增加出现红移，最大吸收波长拓展到830 nm的近红外区。探索了用部分还原的GO纳米片上修饰Au纳米棒作为太阳能蒸汽发生的体积型吸收剂，复合分散液在一个太阳光强下可以实现84.1%的光热转换效率。由于采取的测试装置是纳米流体形式的体积型蒸发系统，蒸汽产生过程会加热整个水体，热损失很大，蒸汽产生效率较低。经热阻网络分析发现，在太阳能驱动水蒸发过程中，热能消耗分为四个部分：水蒸发；材料与底部液体之间，通过输水通道导热发生的热传导；材料与周围环境之间，通过保温层或侧边发生的热传导；以及材料与蒸汽之间的对流传热、辐射换热。因此提出采用界面型蒸发系统，使光热转换材料漂浮于水面，热量局域在水-空气界面，提高蒸汽产生效率。针对目前所用到的石墨烯及其衍生物材料制备工艺复杂、成本高昂的问题，本项目提出了用超声浸渍法制备具有高度柔性的纸基墨水复合材料，研究墨水类型、滤纸孔径及光照强度等对太阳能水蒸发性能的影响。纸基墨水复合材料的蒸汽产生速率在2 kW m-2与3 kW m-2的光照强度下，分别为2.28 kg m-2 h-1 和 3.70 kg m-2 h-1。实验证明该样品具有良好的污水处理及海水淡化能力；在太阳能水蒸发室外模拟实验中，纯水产率仍达1.24 kg m-2 h-1。商业碳素墨水中碳纳米颗粒具有低成本、稳定性高及环境友好性等特点。该制备方法快速、低能耗且容易操作，可以用于大规模生产及应用。在这些研究工作的基础上，我们思考总结了太阳能光热蒸汽领域的关键科学问题和发展趋势，提出维度提升发展的树形系统模型，这将推动太阳能光热蒸汽材料和系统的设计优化以及能量管理等领域的理论发展与应用实践。