光热效率91%！“木基太阳能板”可能颠覆硅基太阳能

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Shutterstock

撰文：Bell

编辑：小澜

→这是《环球零碳》的1953篇原创

大家都知道“太阳能光伏板”，但你听说过“太阳能木材板”吗？

最近，科学家们通过改造我们生活中常见的轻质木材板，成功制造出一种能够吸收阳光、储存热量，甚至能够在光消失后持续发电的“神奇木板”。

也就是说，以后太阳能光伏板，可以不用硅基，用木基材料也可以。

这不是在开玩笑。来自昆明理工大学和广东工业大学的研究团队在《先进能源材料》（Advanced Energy Material）期刊上发表了一项研究，他们通过对轻木进行由内而外的“纳米级改造”，造出了一种集吸光、储热、自清洁、防火、抗菌于一身的复合木材。

更妙的是，即便阳光消失，它储存的热量还能继续发电。

研究人员利用轻木的多孔结构，通过一种无碳化、界面工程的策略，制备了多功能复合相变材料，解决了传统太阳能光热转换材料加工能耗高、环境适应性差的痛点。

这项工作的意义，不只是造出了一块“发电木头”。它证明了一种理念：木头本身就可以成为一个完整、高效的太阳能热能收集平台。

图说：太阳能-热能转换的界面工程木基设计

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

那为什么要选择用轻木来开发光热平台？

科学家看中的，正是轻木木材牢固、低密度的内部结构——这种结构天生就是一套完美的“管道系统”。

轻木板由“最轻的商品木材”——巴沙木制作而成。巴沙木木材质地虽轻但结构牢固，是航空、航海以及其它特种工艺的宝贵材料。

在显微镜下，轻木板的横截面像蜂巢一样排列着无数直径约20到50微米的微管，这些通道不仅能快速传导热量，还是理想的“储物间”。

图说：轻木示意图

来源：iStock

不过，天然木头有两个缺点：颜色浅容易反光，而且特别吸水。因此，研究团队的第一步，是去掉木头里的木质素，只留下纤维素。

脱掉木质素的木材变成了纯白色，孔隙率飙升至93%以上，活像一块蓬松的“纳米海绵”，而那些整齐排列的微管骨架依然完好。

接下来的操作才是关键。他们没有像传统做法那样把木头烧成碳（高温碳化会破坏木材表面的活性基团），而是在微管的内壁上进行了一场精密的“化学装修”。

装修材料的主角是一种叫黑磷烯（Black Phosphorene）的二维纳米片。

它的本事在于：从紫外线、可见光一直到红外线，几乎能把阳光里所有的波段都吸收进来，然后高效转化成热量。

更难得的是，黑磷烯本身还有阻燃性，比碳材料安全得多。不过。它也有个致命弱点——在空气里极容易氧化失效。

研究人员想了个办法：用单宁酸和铁离子编织成一层致密的“金属-多酚网络（MPN）”分子屏障，像保鲜膜一样把每一片黑磷烯紧紧裹住。

这层保护膜不但能防止黑磷烯氧化、暴晒150天依然稳定，还能通过电荷转移效应进一步增强光吸收。

图说：滴铸黑磷烯纳米片（BPNS）和金属-多酚网络（MPN）后的木材示意图

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

为了让吸光能力再上一层楼，研究团队还在涂层中原位还原了银纳米颗粒。

这些微小的银粒子会引发“局域表面等离子体共振”——简单说，就是让光和材料的相互作用变得更强烈，吸收的光更多。

最后，他们又在表面接上了疏水长链烃基，让整个通道内壁变得极具疏水性，水滴落上去接触角高达153°，直接滚走，顺便带走灰尘。

而且，表面的银离子是天然的抑菌高手，让木头在潮湿环境下也不会发霉长毛。

图说：微观结构疏水性和自清洁功能示意图

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

“装修”完成的木头骨架，接下来要填充真正的储能主力——硬脂酸。

硬脂酸是一种生物基的相变材料，受热熔化时能大量吸收热量，冷却凝固时再把热量释放出来。

研究人员在木头通道中灌满了这种相变材料。中午太阳暴晒时，它吸收热量融化成液体，把热能存起来；晚上降温时，它又凝固放热，把热能还回来。

这套组合拳下来，这种“太阳能木材板”实测储热密度高达 175 kJ/kg。

而且，得益于黑磷烯的强力吸光和木头通道的导热效应，它的光热转换效率高达91.27%，几乎把绝大部分阳光都变成了热。

图说：填充硬脂酸后的木基光热平台微观结构

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

将这块“木头”贴在热电发电机上，在模拟的太阳光强度下，输出电压达到了0.65伏。足够驱动一些小功率传感器。

哪怕移走光源，储存的热量仍能维持温差，让电力输出再延续一段时间。

除了能量表现，它的耐用性也相当惊人。在100次熔化-凝固循环后性能几乎不衰减；遇到明火能在两分钟内自熄；表面的超疏水和抗菌特性还能防止灰尘堆积和微生物滋生，避免户外长期使用时性能“打折”。

总结来说，这项技术的魅力在于，它没有通过高温碳化去破坏木头的结构，而是在保留木材天然可持续属性的同时，赋予了它远超自然属性的功能。

当然，从实验室走到实际应用还有一段路，研究人员还需要解决如何进一步优化发电功率、如何大规模运行等问题。

但这条路一旦走通，它的应用场景将非常广阔——从离网地区的小型供电设备，到建筑节能材料，再到电子产品的热管理，都可以应用类似的设计。

图说：小木块可以作为模块化热单元将光能转化为热能再转化为电能，可灵活组装实现规模扩大

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

未来，类似的思路还可以拓展到其他生物质材料和纳米材料上，催生新一代能够自主捕获、储存和管理能源的太阳能系统。

也许有一天，我们的房屋外墙、窗框甚至家具，都不再是简单的“死物”，而是默默收集阳光、调节温度、甚至发电的“智慧系统”。

Reference：

[1]https://interestingengineering.com/energy/wood-converts-sunlight-into-heat

[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.70872

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