我校材料科學(xué)與工程學(xué)院楊國偉教授研究組在8月10日出版的Science子刊Science Advances上發(fā)表他們在納米光子學(xué)材料研究中取得的重要突破。
淡水資源短缺是當(dāng)前世界面臨的一大難題，海水淡化作為獲得淡水的有效方法之一備受關(guān)注。然而傳統(tǒng)的海水淡化裝置復(fù)雜、效率低、耗能多等?？紤]到太陽能是取之不盡的清潔能源，所以，近年來，科學(xué)家們一直在尋找合適的光熱轉(zhuǎn)換材料來實現(xiàn)高效的太陽能海水淡化。如所周知，要想充分利用太陽能，好的光熱轉(zhuǎn)換材料必須滿足兩個基本條件：不僅要在整個太陽光譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的吸收，而且還需要具有高的光熱轉(zhuǎn)化效率，以便能夠?qū)⒉东@的太陽光能用于海水蒸發(fā)。顯然，先進(jìn)的納米光子學(xué)材料被期待著在太陽能光熱轉(zhuǎn)換海水淡化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
碲納米顆粒及其光熱效應(yīng)的熱像圖
最近，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院楊國偉教授研究組在基于光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)的納米光子學(xué)材料研究中取得重要突破，他們發(fā)展了一種全新的光熱轉(zhuǎn)換全介質(zhì)材料（all-dielectric materials）即碲（Te）納米顆粒，它不僅可以實現(xiàn)全太陽光譜吸收而且具有極高的光熱轉(zhuǎn)換效率。他們采用自己發(fā)展的液相激光熔蝕（laser ablation in liquids, LAL）技術(shù)制備出多晶碲納米顆粒，粒徑分布范圍10到300納米，并且發(fā)現(xiàn)由碲納米顆粒自組裝形成的吸收層具有強(qiáng)烈的寬譜吸收屬性，在整個太陽光譜范圍內(nèi)的吸收率超過85%（紫外區(qū)接近100%）。在太陽光照射下，該吸收層的溫度從29°C上升到85°C只需要100秒的時間。此外，通過將所制備碲納米顆粒均勻分散到水中，在太陽光照射下水的蒸發(fā)速率提升了3倍，這種表現(xiàn)超越了所有已經(jīng)報道的用于太陽能光熱轉(zhuǎn)換水蒸發(fā)的納米光子學(xué)材料，包括等離激元（plasmonic）和全介質(zhì)材料。
他們發(fā)現(xiàn)碲納米顆粒優(yōu)異的太陽能光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)來源于其獨(dú)特的“光學(xué)二重性”（plasmonic and all-dielectric）。在全太陽光譜范圍內(nèi)，隨著納米顆粒尺度的變化，碲納米顆粒的介電常數(shù)會由負(fù)變化到正，進(jìn)而實現(xiàn)從金屬屬性向全介質(zhì)屬性的轉(zhuǎn)變。當(dāng)碲納米顆粒粒徑小于120納米時，它的光譜性質(zhì)與表面等離激元材料（如金納米顆粒）類似，而當(dāng)顆粒尺寸大于120納米時，它的光譜性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c高折射率全介質(zhì)材料（如硅納米顆粒）類似。由于表面等離激元共振和全介質(zhì)米氏共振都可以大幅增強(qiáng)材料的光學(xué)吸收效率，而且全介質(zhì)米氏共振波長隨著尺寸增大紅移。因此，具有寬粒徑分布的碲納米顆粒層的吸收光譜可以覆蓋整個太陽光譜。同時，碲納米顆粒中間帶（intermediate band）的存在，使得其具有高的光熱轉(zhuǎn)化效率，從而實現(xiàn)將吸收的太陽光能高效地用于水蒸發(fā)。
該研究成果以題目為“The optical duality of tellurium nanoparticles for broadband solar energy harvesting and efficient photothermal conversion”的論文發(fā)表于Science（科學(xué)）子刊Science Advances（科學(xué)進(jìn)展）（Science Advances 4, eaas9894 (2018)）。該研究是楊國偉教授研究組在中山大學(xué)獨(dú)立完成的，論文第一作者是馬楚榮博士生，通訊作者是楊國偉教授，得到國家重大科學(xué)研究計劃、廣州市科技計劃和光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室的大力支持。
研究成果一經(jīng)發(fā)表，立刻在第一時間引起了重要國際媒體的關(guān)注。美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（https://phys.org）在“News”欄目以“Using tellurium nanoparticles to achieve plasmonic-like and all-dielectric properties when exposed to sunlight”為題對該工作進(jìn)行了高度評價并認(rèn)為這種同時具有等離激元和全介質(zhì)特性的“光學(xué)二重性”納米光子學(xué)光熱轉(zhuǎn)換材料將在海水淡化中發(fā)揮重要作用；美國電氣電子工程師學(xué)會的IEEE Spectrum在“Top Story”欄目以“Nanoparticles Take Solar Desalination to New Heights”為題報道了該研究，認(rèn)為它創(chuàng)造了新的光熱轉(zhuǎn)換過程，可以使太陽能更高效地進(jìn)行海水淡化，這一重要發(fā)現(xiàn)一定程度上推動了這項技術(shù)在全世界的發(fā)展進(jìn)程。
