SCI CHINA MATER|柔性等离激元纤维素纸用于宽谱光吸收和高效太阳能蒸汽转化

研究背景

太阳能驱动的蒸汽产生是一种很有前途的技术，可以从多个来源（如海水、污水和微咸水）产生清洁水，以解决可持续发展社会难以解决的水资源短缺问题。通过对太阳能吸收器的先进设计以及对热流和水运输的管理，包括用高导热材料取代传统的热绝缘体、引入散热片、金属有机框架（MOFs）的表面功能化以及利用环境能源和分层纳米结构水凝胶，已经实现了高的太阳-蒸汽传输效率。由于等离激元纳米粒子的共振吸收、快速光热转换和局部加热效应，引起了研究人员的极大兴趣。然而，由于等离激元纳米粒子的谐振吸收有一个固有的狭窄带宽，导致等离激元太阳能吸收器实现全太阳光谱吸收仍然是一项挑战。一个有应用前景的方法是驱动近似的表面等离激元杂化或多个共振以实现宽带吸收，其有效性依赖于精巧的等离激元纳米结构的设计。在各种策略中，形态学材料显示出良好的前景，因为它们为设计和合成高效等离激元太阳能吸收器提供了一个卓越的平台。然而，等离激元纳米粒子通常是温和地沉积在基质上，可能不会形成强的结合。因此，粒子的间隙不能被调整以获得强耦合，不利于在相对苛刻的工作条件下长期吸收太阳能和产生蒸汽。此外，基于仿生结构的柔性等离激元吸收器很少被大量生产。纤维素纸（CP）可以大量生产，其内部的纳米间隙可以作为等离激元纳米粒子的纳米终结反应器。为此，上海交通大学顾佳俊教授团队利用一种市售的CP作为支撑物，并利用其独特的纳米限域效应来调节等离激元纳米粒子的生长和分布，以合成一种具有宽带吸收的灵活的等离激元CP。

相关成果以“Flexible plasmonic cellulose papers for broadband absorption and efficient solar steam generation”为题发表在国际知名期刊《Science China-Materials》(IF= 8.640，JCR一区，中科院一区TOP)上。

研究内容

通过在CP的纳米缝隙中填充等离激元纳米颗粒，研究人员制造了灵活的等离激元CP，其具有良好的宽带光吸收能力（在250-2500纳米波长范围内超过93.7%）。由于采用了一种快速的种子介导的生长过程，这个方法在Ag和Cu纳米粒子中表现出良好的通用性。在不到6.5分钟的时间里，等离激元纳米粒子可以密集而均匀地分布在基体的结晶纳米纤维之间的纳米间隙中。纳米细化组织了纳米颗粒的分布并紧紧地固定住它们，使其具有很强的耦合性和抗弯曲、疲劳和分解的能力。Ag-CP在250-2500纳米的光谱范围内产生93.7%的平均吸收。当组装成一个太阳能蒸汽发电装置时，Ag-CP在一个太阳辐射强度下表现出85.2%的太阳-热效率。通过有限元法（FEM）模拟，对等离激元纳米颗粒的尺寸和空间进行调制，以研究宽带吸收的原因。该工作证明了形态基因概念能够运用在构建等离激元纳米结构中，并提出了一种高效灵活的太阳能吸收器，具有实际应用的潜力。

研究数据

图1 等离激元CP的合成。

图2 Ag-CP的形态。

图3 光学吸收和太阳能驱动的蒸汽产生。

图4 Ag-CP的光学吸收与生长时间的关系。

图5 对Ag NPs及其聚集物的光学反应进行FEM光学模拟。

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2238-6

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