Absorbeert meer dan 90 procent van het zonlicht! Australië heeft een nieuw type grafeenfilm ontwikkeld!

Onderzoekers van het Centre for Translational Atomaterials (CTAM) van de Swinburne University of Technology in Melbourne, Australië, hebben een nieuwe grafeenfilm ontwikkeld die meer dan 90 procent van het zonlicht kan absorberen en tegelijkertijd de meeste verliezen door thermische infraroodstraling worden geëlimineerd, en dit is de eerste verslag van deze prestatie.

Dit is een zeer efficiënt metamateriaal voor zonne-energie dat snel kan opwarmen tot 83 graden Celsius (181 graden Fahrenheit) in een open omgeving met minimaal warmteverlies. Voorgestelde toepassingen voor de film zijn onder meer het oogsten en opslaan van thermische energie, thermische zonne-energieopwekking en ontzilting van zeewater.

CTAM Founding Director Prof. Baohua Jia zei dat, hoewel het absorberen van zonlicht en het onderdrukken van warmtestralingsverlies (ook bekend als blackbody-straling) van cruciaal belang is voor efficiënte thermische zonne-absorbers, dit uiterst moeilijk te bereiken is. "Dit komt omdat, afhankelijk van de geabsorbeerde warmte en de eigenschappen van de absorber, de emissietemperatuur aanzienlijk verschilt, wat resulteert in een significant verschil in de golflengte", legt ze uit. Maar we hebben een driedimensionaal gestructureerd grafeenmetamateriaal ontwikkeld (gestructureerde grafeenmetamaterialen, SGM), dat zeer absorberend is en selectief blackbody-straling kan filteren."

Dit driedimensionaal gestructureerde grafeenmetamateriaal bestaat uit een 30-nanometerdikke alternerende grafeenfilm en een diëlektrische laag die is afgezet op een geulachtige nanostructuur die ook dienst doet als kopersubstraat voor verbeterde absorptie. Belangrijker is dat de substraten een patroon hebben in een matrixopstelling om flexibele afstembaarheid van golflengteselectieve absorptie mogelijk te maken.

De grafeenfilms zijn ontworpen om licht te absorberen met golflengten tussen 0,28 en 2,5 micron. Door de structuur van het kopersubstraat kan het fungeren als een selectief banddoorlaatfilter, waardoor de normale emissie van intern gegenereerde blackbody-energie wordt onderdrukt. Deze vastgehouden warmte kan de temperatuur van het metamateriaal verder verhogen. Daardoor kan SGM snel opwarmen tot 83 graden Celsius. Als er verschillende temperaturen nodig zijn voor specifieke toepassingen, kunnen nieuwe kanaalnanostructuren worden gefabriceerd en afgestemd op specifieke golflengten van zwarte lichamen. "In ons vorige werk hebben we een 90-nanometer grafeen endotherm materiaal gedemonstreerd", zegt professor Jia. Hoewel het kan worden verwarmd tot 160 graden Celsius", is de structuur complexer, bestaande uit vier lagen: een substraat, een zilverlaag, een siliciumoxidelaag en een grafeenlaag. Onze nieuwe dubbellaagse structuur is eenvoudiger en vereist geen vacuüm depositie. De fabricagemethode Schaalbaar en lage kosten."

Het nieuwe materiaal vermindert ook de filmdikte aanzienlijk met een derde en gebruikt minder grafeen, en de dunheid helpt geabsorbeerde warmte efficiënter over te dragen naar andere media, zoals water. Bovendien is de film hydrofoob, wat helpt bij zelfreiniging, terwijl de grafeenlaag de koperlaag effectief beschermt tegen corrosie, waardoor de levensduur van het metamateriaal wordt verlengd.

"Aangezien de structurele parameters van het metalen substraat de belangrijkste factor zijn die de algehele absorptieprestaties van de SGM regelt, in plaats van de inherente eigenschappen ervan, kunnen verschillende metalen worden gebruikt, afhankelijk van de toepassingsbehoeften of de kosten", zei Keng-Te Lin, die onlangs gepubliceerd in Nature Communications (Nature Communications), hoofdauteur van een paper over metamaterialen en een onderzoeker aan de Swinburne University. Hij merkte op dat aluminiumfolie ook kan worden gebruikt om koper te vervangen zonder de prestaties in gevaar te brengen.

Keng-Te zei: "We gebruikten het prototypemembraan om schoon water te produceren en bereikten een indrukwekkend zonne-stoomrendement van 96,2 procent. Dit is zeer concurrerend voor de opwekking van schoon water met behulp van hernieuwbare energiebronnen. krachtig."

Hij voegde eraan toe dat het metamateriaal ook kan worden gebruikt in toepassingen voor het oogsten en omzetten van energie, stoomkrachtopwekking, afvalwaterzuivering, ontzilting van zeewater en thermische zonne-energieopwekking.

Maar een uitdaging die blijft, is het vinden van een manier om het substraat rekbaar te maken.

"We werken samen met Innofocus Photonics Technology, een particulier bedrijf dat een coatingmachine op de markt heeft gebracht voor het leggen van grafeen- en diëlektrische lagen", zegt professor Jia. "Daar zijn we blij mee. We zoeken nu naar een manier om kopersubstraten op schaal te produceren." Een mogelijke benadering, voegt ze eraan toe, is een roll-to-roll-proces.

Ondertussen blijven de onderzoekers het ontwerp van de nanostructuur verfijnen om de stabiliteit en absorptie-efficiëntie van de SGM te verbeteren. "Wat betreft commercialisering," zei professor Jia, "we denken dat het binnen een tot twee jaar mogelijk is."