Absorbieren Sie mehr als 90 Prozent des Sonnenlichts! Australien hat eine neue Art von Graphenfilm entwickelt!

Forscher des Centre for Translational Atomaterials (CTAM) an der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, haben einen neuen Graphenfilm entwickelt, der mehr als 90 Prozent des Sonnenlichts absorbieren kann, während gleichzeitig die meisten Wärmeverluste im Infrarotbereich eliminiert werden Erster Bericht über dieses Kunststück.

Dies ist ein hocheffizientes Solarheizungs-Metamaterial, das in einer offenen Umgebung mit minimalem Wärmeverlust schnell auf 83 Grad Celsius (181 Grad Fahrenheit) aufgeheizt werden kann. Zu den vorgeschlagenen Anwendungen für die Folie gehören die Gewinnung und Speicherung von thermischer Energie, die solarthermische Stromerzeugung und die Meerwasserentsalzung.

CTAM-Gründungsdirektor Prof. Baohua Jia sagte, dass die Absorption von Sonnenlicht bei gleichzeitiger Unterdrückung des Wärmestrahlungsverlusts (auch als Schwarzkörperstrahlung bekannt) für effiziente solarthermische Absorber zwar entscheidend, aber äußerst schwierig zu erreichen sei. „Denn je nach aufgenommener Wärme und Eigenschaften des Absorbers unterscheidet sich die Emissionstemperatur deutlich, was zu einem deutlichen Unterschied in der Wellenlänge führt“, erklärt sie. Aber wir haben ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (Structured Graphene Meta Materials, SGM) entwickelt, das hoch absorbierend ist und Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltern kann.“

Dieses dreidimensional strukturierte Graphen-Metamaterial besteht aus einem 30--nanometerdicken abwechselnden Graphenfilm und einer dielektrischen Schicht, die auf einer grabenartigen Nanostruktur abgeschieden ist, die gleichzeitig als Kupfersubstrat für eine verbesserte Absorption dient. Noch wichtiger ist, dass die Substrate in einer Matrixanordnung gemustert sind, um eine flexible Abstimmbarkeit der wellenlängenselektiven Absorption zu ermöglichen.

Die Graphenfilme sind so konzipiert, dass sie Licht bei Wellenlängen zwischen 0,28 und 2,5 Mikrometer absorbieren. Die Struktur des Kupfersubstrats ermöglicht es, als selektiver Bandpassfilter zu fungieren und die normale Emission von intern erzeugter Schwarzkörperenergie zu unterdrücken. Diese zurückgehaltene Wärme kann die Temperatur des Metamaterials weiter erhöhen. Daher kann sich SGM schnell auf 83 Grad Celsius erhitzen. Wenn für bestimmte Anwendungen unterschiedliche Temperaturen erforderlich sind, können neue Kanal-Nanostrukturen hergestellt und so abgestimmt werden, dass sie zu bestimmten Schwarzkörper-Wellenlängen passen. "In unserer früheren Arbeit haben wir ein endothermes 90--Nanometer-Graphenmaterial demonstriert", sagte Professor Jia. Obwohl es auf 160 Grad Celsius erhitzt werden kann, ist seine Struktur komplexer und besteht aus vier Schichten: einem Substrat, einer Silberschicht, einer Siliziumoxidschicht und einer Graphenschicht. Unsere neue zweischichtige Struktur ist einfacher und erfordert kein Vakuum Die Herstellungsmethode Skalierbar und kostengünstig.“

Das neue Material reduziert auch die Filmdicke erheblich um ein Drittel und verbraucht weniger Graphen, und seine Dünnheit trägt dazu bei, absorbierte Wärme effizienter auf andere Medien wie Wasser zu übertragen. Darüber hinaus ist der Film hydrophob, was die Selbstreinigung unterstützt, während die Graphenschicht die Kupferschicht effektiv vor Korrosion schützt und so dazu beiträgt, die Lebensdauer des Metamaterials zu verlängern.

„Da die strukturellen Parameter des Metallsubstrats der Hauptfaktor sind, der die Gesamtabsorptionsleistung des SGM steuert, und nicht seine inhärenten Eigenschaften, können je nach Anwendungsbedarf oder Kosten verschiedene Metalle verwendet werden“, sagte Keng-Te Lin, der kürzlich veröffentlicht in Nature Communications (Nature Communications), Hauptautor eines Artikels über Metamaterialien und Forscher an der Swinburne University. Er stellte fest, dass Aluminiumfolie auch verwendet werden könnte, um Kupfer zu ersetzen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Keng-Te sagte: „Wir haben die Prototyp-Membran verwendet, um sauberes Wasser zu erzeugen, und erreichten einen beeindruckenden Solardampfwirkungsgrad von 96,2 Prozent. Dies ist sehr wettbewerbsfähig für die Stromerzeugung aus sauberem Wasser unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen. leistungsstark.“

Er fügte hinzu, dass das Metamaterial auch bei der Energiegewinnung und -umwandlung, der Dampfkrafterzeugung, der Abwasserreinigung, der Meerwasserentsalzung und der solarthermischen Stromerzeugung eingesetzt werden könnte.

Eine Herausforderung bleibt jedoch, einen Weg zu finden, das Substrat dehnbar zu machen.

„Wir arbeiten mit Innofocus Photonics Technology zusammen, einem Privatunternehmen, das eine Beschichtungsmaschine zum Aufbringen von Graphen und dielektrischen Schichten kommerzialisiert hat“, sagte Professor Jia. „Wir sind damit zufrieden. Wir suchen jetzt nach einer Möglichkeit, Kupfersubstrate in großem Maßstab herzustellen.“ Ein möglicher Ansatz sei ein Rolle-zu-Rolle-Prozess.

In der Zwischenzeit verfeinern die Forscher das Nanostrukturdesign weiter, um die Stabilität und Absorptionseffizienz des SGM zu verbessern. "Was die Kommerzialisierung betrifft", sagte Professor Jia, "denken wir, dass sie innerhalb von ein bis zwei Jahren möglich ist."