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综述 | 基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

已有 548 次阅读 2020-1-21 10:35 |系统分类:论文交流

《中国科学:物理学 力学 天文学》中文版2019年第12期出版南京大学朱嘉课题组综述文章,详细介绍了等离激元微纳结构在太阳能界面光蒸汽转换中的应用和进展。



引 言


太阳能转换是新能源领域的重要科学前沿。其中,太阳能光蒸汽转换,是当今太阳能热利用的一个新兴研究分支。它的基本原理是利用光吸收体将捕获的太阳能转化为热能,通过加热水体,使其发生液气相变产生蒸汽。作为太阳能光蒸汽转换系统的关键组成部分,碳基、硅基、金属基等光吸收体相继被研究和报导。其中,基于金属微纳结构的等离激元吸收体因其优异的光学和热学特性,引起了人们的关注。等离激元吸收体不仅能够灵活地剪裁吸收/辐射光谱, 提高光热转换效率,还能形成高密度的、亚波长尺度的局域热点,快速产生蒸汽。

等离激元简介
1. 表面等离极化激元与局域表面等离激元
表面等离极化激元(Surface plasmon polariton, SPP)最早发现于金属-电介质界面,源于自由电子的集体振荡与电磁波之间的耦合。在界面两侧远离界面方向,其场强迅速衰减。如今,利用微纳结构,表面等离极化激元吸收体在特定波段已经能够实现宽频、高效的光吸收。
与表面等离极化激元类似,局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon, LSP)源于光与金属颗粒表面自由电子集体振荡的耦合,并显著增大了材料本身的吸收截面。随着金属颗粒间距的减小,在共振频率附近,间隙处的光场增强可高达106倍。共振伴随着强烈的欧姆损耗,这使得金属颗粒在共振波段具有较强的吸收能力。与光栅、波导等SPP主导的微纳结构相比,由随机取向的纳米颗粒组装而成的结构,具有对入射光的偏振方向和入射角度的不敏感特性。另外,纳米颗粒具有较大的表体比,能够与流体介质充分接触,有效提升热传递效率。
2. 等离激元共振的调控
等离激元作为一种结构驱动的光吸收模式,受到材料尺寸、构型、背景电介质的强烈影响。多元化的调控机制为实现精准的吸收光谱裁剪提供了可能。基于等离激元的光热转换装置,还能结合实际需求,相对自由地控制光学热点的空间分布。
3. 等离激元杂化与耦合
2003年,Naomi J. Halas与Peter Nordlander等人提出了等离激元杂化的概念,解释了纳米同心球壳中的共振模式(图1)。球壳被看作是大半径的球体与小半径的球形腔的叠加;球模与腔模共振模式的叠加,促成体系中成键态和反键态两种耦合模式。研究表明,大量金属颗粒之间的共振杂化,能够克服等离激元共振窄带吸收的局限性,具备选择性宽带吸收的特征,从而满足太阳能光蒸汽转换对于吸收体的光谱要求。

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图1  金属纳米壳结构中的等离激元模式杂化效应

光蒸汽转换的微观和宏观机理
等离激元微纳结构在实现水的液气相变的过程中,宏观上要经历光吸收、热弛豫、界面传热、相变等一系列物理过程,稳定的光蒸汽产生可以视为输入与输出功率间建立动态平衡的过程。在微观上,光蒸汽转换经历了光激发热载流子产生、热载流子衰减、热耗散等过程(图2)。吸收体通过内部光子、电子、声子的相互作用,实现光热转化和热量传递。

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图2  光蒸汽转换的微观、宏观过程。(a) 光蒸汽转换的三个阶段:光激发、非辐射衰减、热耗散。(b) 界面光蒸汽转换的宏观能量转换过程(入射能量转化为反射、辐射、传导、对流等形式)
等离激元光蒸汽转换结构的微纳设计
1. 等离激元宽带光吸收体设计
基于金属颗粒的光子纳米流体是最早实现等离激元光蒸汽转换的方式之一,是从传统体相加热向界面加热的一种有效的尝试,但仍存在体加热效应的局限性。新型吸收体设计在材料、结构上都进行了改进。近几年发展的三维自组装金属微纳结构,如金纳米颗粒—氧化铝多孔体系,不仅增强了光在结构内的多重散射,并且支持高态密度的等离激元模式。吸收光谱显示,此类结构改变了单一金属纳米颗粒的窄带吸收特征,吸收带可扩展至中红外波段。
2. 等离激元驱动的高效热学调控
光蒸汽转换并不仅仅依赖吸收体的完美吸收,也与体系的热学调控密切相关。对热传导、热对流等热学损失项进行针对性的抑制,能够使吸收体吸收的能量最大限度用于水的蒸发焓变。
随着界面光蒸汽研究的不断深入,采用大孔隙率结构抑制热传导成为趋势。一方面,大孔隙率材料具有较低的密度,极易浮于水面,能够与水体进行物理隔离,将光热转换、热能的释放局限在气液分界面附近极薄的水层中。另一方面,这些材料自身都具有较低的热导率,抑制了自上而下向水体的热量传递。
对于吸收体的辐射损耗,理论上可以通过合理调控等离激元模式的吸收带宽进行吸收-辐射协同调控而有效抑制。事实上,已有研究进行相应的尝试(图3),通过多孔结构和金属颗粒尺寸、形貌的设计,可实现等离激元吸收体吸收带边的可控调节。可见-红外全光谱选择性吸收为高效率光热调控提供了新的思路。

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3 基于多孔金属微结构调控的选择性吸收体

等离激元光蒸汽的应用
随着金属微纳加工技术的发展和等离激元光子学多学科交叉融合,基于等离激元光热效应的金属微结构光蒸汽转换正逐步应用到各个新能源领域(图4),主要用于太阳能水纯化、高温蒸汽灭菌等,并逐渐发展到多功能集成应用方面,如光热催化、光热光电转换集成器件等。
1. 海水淡化
清洁的水资源对于人类的生产生活至关重要。海水淡化的充分利用,将大幅缓解当今资源紧缺的形势。传统的反渗透膜工艺,存在造价高、体系庞大、耗电量大等问题,不适用于偏远地区的水质净化。将金属微结构局域光致加热效应和低密度多孔结构界面水蒸发过程相结合,提高光蒸汽转换效率,南京大学朱嘉课题组报道了基于低成本等离激元金属铝的界面太阳能海水淡化器件,拓展了等离激元光热效应的应用领域,对于便携式水纯化应用具有积极的意义。
2. 蒸汽灭菌
对于光热转换产生的高温蒸汽,海水淡化选择了冷凝收集的方式,蒸汽所携带的能量则往往被浪费。等离激元金属微结构具有局域热点和快速热响应等特性,快速高温蒸汽产生使其有可能用于蒸汽灭菌系统。Neumann等人针对此能量设计了太阳能灭菌锅,他们采用金纳米流体,分别设计出闭环的便捷式医疗灭菌装置和开环的大型生活污水处理系统,能够有效杀灭病原体。等离激元高温蒸汽灭菌为金属微结构光热效应应用拓展了新思路。

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4  光蒸汽转换的不同应用,海水淡化、污水处理、高温灭菌等


总结与展望


和碳基材料相比,等离激元材料的光蒸汽转换需要着重考虑制备成本、水通道设计等问题。同时,光热转换的微观机理仍有待探索和发展;供水通道的设计有待完善因此,寻找更干净的等离激元微纳结构体系,有望为未来深入研究等离激元光热机理提供有效的抓手和突破口。


文章信息:

刘海舟, 喻小强, 李金磊, 等. 基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2019, 49: 124203

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSPMA/49/12/10.1360/SSPMA-2019-0070?slug=fulltext



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