吸收器 吸量管

“在我的研究领域，麻省理工学院陈刚教授一直是我心中的行业标杆，他的很多学生都曾在美国和中国的著名大学任教。

其中，杨先生在辐射制冷和纳米导热方面的研究走在了行业的前列。杨先生是美国科罗拉多大学波尔德分校终身教授，2018年回国到华中科技大学任教。我也有幸从2022年开始跟随杨老师从事博士后研究。东北大学博士毕业的田燕培表示，他将于本月底回国。

图 | 田彦培（来源：田彦培）图|田彦佩(来源:田彦佩)

田燕佩，1991年出生，河南平顶山市人。本人本科毕业于哈尔滨工程大学，从大一开始就和当时的班主任张鹏老师一起做太阳能光热发电项目。

大四毕业后，我申请了美国罗德岛大学的博士学位，师从郑毅教授。2019年，郑先生加入美国东北大学，主要从事近场辐射传热和光谱调控研究。还随导师转学到东北大学，直到博士毕业。

不久前，他作为第一作者、郑毅教授作为通讯作者的论文刚刚发表在《纳米能源》上。

论文题目为“通过选择性刻蚀合金实现选择性等离子体太阳吸收和红外抑制的新策略”。

提出选择性刻蚀反应的策略

本研究要解决的问题是，多年来，太阳能的光热利用在学术界和工业界都被认为是一种高效、环保、可再生的能源利用形式。

光谱选择性太阳能吸收器具有低成本、低红外发射率、高太阳能吸收率和高热稳定性等优点，因此在光热转换应用中发挥着重要作用，如太阳能光热、太阳能海水淡化、光热催化和聚光太阳能发电系统等。

作为几种金属元素的原子混合物，合金是具有一定强化特性(如强度或硬度)的混合物，由主要金属成分和其他辅助金属或非金属成分组成。在传统的选择性蚀刻中，合金中的电化学活性元素将被选择性溶解以形成纳米结构。

其中，黑色金属多孔纳米结构具有内表面积大的特点，可以有效散射太阳光波，高效捕获和吸收太阳能，是优良的光热转换材料。

日前，田延培及其导师郑毅教授以选择性刻蚀反应为策略，将宽光谱、高反射的铝合金转化为等离子体纳米结构选择性太阳能吸收器(PNSSAs)。

利用表面等离子体共振的策略，在合金表面自组装形成铜纳米结构薄膜，从而形成光谱选择性可调、高效全向太阳能吸收率、低热发射率和优异热机械稳定性的太阳能吸收器。

据介绍，上述策略也适用于不锈钢、高温合金等其他合金，因此可用于工作在中高温的太阳能光热系统。

在制备中，PNSS SAS可以通过溶液法制备，在实验室中的加工成本仅为每平方米0.735美元。此外，它可以很容易地集成到工业规模的卷到卷工艺中，而不依赖于复杂和昂贵的true 空沉积和光刻技术。

在研究中，田燕培使用了温度为40℃的热碱溶液对2024铝合金(一种高强度硬铝)的表面进行处理。由于主元素——铝可以溶解在碱性溶液中，剩余的微量元素如铜、锌等会保留在合金表面，从而形成纳米结构。

此外，据报道，铜可以吸收纳米尺寸的太阳光(0.3 ~ 2.5 m)，其纳米结构的厚度和尺寸都在数百纳米的量级，因此不能与红外光(2.5 ~ 20 m)共振，所以对红外光会表现出很高的透明性。

然而，铝合金基板可以产生对红外光的高反射。铜纳米结构和高反射铝基底形成的结构可以产生对太阳能的高吸收和对红外光的高反射，这是一种光谱选择性太阳能吸收器的诞生过程。

对于不同入射角的太阳光和红外光，吸收体分别具有高外吸收和高反射的特性，可以节省太阳能追光设备的成本。

从上图可以看出，未经处理的铝合金表面会有微米级的凸起，而经过热碱溶液处理的铝合金表面会呈现不均匀的纳米结构，这种差异也体现在AFM(原子力显微镜)表面形貌上。

从能谱仪的元素分析可以看出，铜和镁是随机分散在铝合金表面的，从X射线衍射谱可以看出铝和铜的晶型。

其中，图2g和图2h描述了太阳能吸收器的工作原理。具体来说，铜纳米结构负责对太阳光的高吸收，同时铜纳米结构对中红外波段也具有高透过率，而底部的铝合金基底对中红外波段具有高反射率。

田延培发现，不同方法制备的PNSS SAS的红外发射率和热转换效率，以及铜纳米结构的尺寸分布特征，会随着氢氧化钠水溶液的浓度、不同反应时间和温度的变化而变化。

此外，随着结构尺寸和结构厚度的增加，铜纳米结构对太阳光的吸收率会逐渐增加，同时还能保持对红外光的高反射特性。通过调节初始热碱溶液的浓度、反应时间和反应温度，可以调节结构对太阳光的吸收特性，也可以改变结构的跃迁波长。

田燕培在分析了铜纳米结构的尺寸分布后发现，随着反应浓度、反应时间和反应温度的增加，铜纳米结构的尺寸也会增大。

从上图可以看出，高温下的光谱稳定性是衡量太阳能吸收器性能的一个重要指标。经过192小时和200℃的高温稳定性实验，铜纳米结构的光谱稳定性、晶体形式和表面结构得以保持。对瞬时高温的不敏感性也是太阳能吸收器设计的重点之一。

经过2小时400°C的高温不敏感测试，可以看出结构的光谱稳定性和小面形貌没有明显变化，结构的机械粘附稳定性也证明了这种设计策略的稳定性。

可用于制造经济高效的太阳能电池阵列模拟器空。据报道，在一个标准太阳光谱(1kw·m-2)的照射下，true 空腔的内部结构达到了165℃的稳态温度，在不同太阳光照射和太阳光照射下的实验中，也证明了该结构具有良好的光热转换能力。

另外，田彦佩使用了热碱溶液选择性蚀刻合金的策略，使用了7075级铝合金(一种冷处理的锻造合金)。

综上所述，田延培及其团队开发了一种基于溶液处理的选择性刻蚀反应新策略，可用于制造一种经济高效的太阳能电池阵列模拟器。

在研究中，他们得到的富铜纳米结构具有宽带太阳能吸收和压制过程中中红外损耗的特点，可以均匀组装在合金红外反射镜上。

反射镜的制备并不复杂:铝合金表层可以通过选择性地将其溶解在热碱溶液中来制备。

一般来说，这种铜纳米结构的表面等离子体共振一旦被激发，可以具有宽特征尺寸分布的特点。

此外，由于纳米多孔铜结构中的多次反射和吸收增强，将产生有效的全向太阳能吸收率，因此这种策略也可以允许其他合金在电化学选择性刻蚀后用于中高温太阳能热应用。

-结束-

参考:

1、严培田。纳米能源92，2022年2月，106717，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106717