一种可实现大角度高效率光热转化的纳米结构石墨烯超材料

理想的太阳能吸收体需要100%的吸收太阳光（可见和近红外波段）并且完全抑制由黑体辐射引起的热损失（红外波段）。因此，具有可调带宽，高效的太阳光波段的选择性吸收能力，是实现高效率的太阳能收集转换的前提。

同时，从应用角度考虑，太阳能吸收体需要具有出色的导热性和稳定性，而且结构简单易于大面积生产制备。尽管在過去的文獻中已提出了多种针对太阳光波段的吸收体，但要在常规的材料和结构中同时满足这些条件，尤其是对黑体辐射热损失（即所收集到的热量以辐射的形式散发到空气中，形成不必要的热损耗）的有效压制具有很大挑战性。

创新研究

最近，澳大利亚斯威本科技大学Centre for Translational Atomaterials(CTAM,转化原子材料中心)的贾宝华教授(Prof.BaohuaJia)课题组提出了一种三维纳米结构石墨烯超材料(structured graphenemeta materials,SGM)，如图1(a)所示，该纳米结构石墨烯超材料利用了下方沟槽状金属结构的波长选择性，以及超薄石墨烯超材料膜的宽带无光学色散的特性与出色的热传导性，以实现大角度高效率的太阳能光热转化。

图1（a）3D纳米结构石墨烯超材料（SGM）吸收结构的概念图。（b）理想太阳能吸收体的吸收光谱。理想的太阳能吸收体能够有效吸收（近乎100%的）太阳光（红色阴影），并通过抑制热辐射（蓝色虚线）使能量损失最小化。X表示黑体的热辐射被抑制。（c）在开放环境的阳光下，SGM吸收膜的照片（左）和热图像（右）。

此纳米结构石墨烯超材料具有优异的太阳光谱选择性（如图1(b)所示）和全方向性吸收，以及出色的光热性能和高热稳定性。太阳能光热转化效率可以达到90.1%。该材料能够高效率的加热水以产生水蒸气，其蒸汽转化效率达到96.2%。

此外，这种石墨烯超材料薄膜是使用低成本可大面积生产的化学法制作的，其设备已经被Innofocus Photonics Technology Pty Ltd.商业化。其沟槽狀纳米结构则使用激光纳米三维打印的方法制作。因此，这种纳米结构石墨烯超材料吸收膜可以实现低成本及规模化的加工制作。

该研究团队展示了纳米结构石墨烯超材料吸收膜在太阳能光热转换中的优异性能，如图1(c)所示。研究结果显示由于石墨烯超材料吸收膜超薄(30nm)且高吸收的特性，其在太阳光照射下温度可以迅速上升到83℃，明显高于目前最优的厚吸收体（升温到60℃）。这种石墨烯超材料为基于二维材料的大面积太阳能收集和强吸收光子转换器件的研究及应用开辟了新途径。此外，这种纳米结构石墨烯超材料具有更广泛的用途，如太阳能光热能量转换、海水淡化，热发射源、光调制器、探测器等器件。

该工作发表在Nature Communications上，是贾宝华教授领导的埃米材料转化中心(CTAM)既2019年实现90纳米石墨烯完美吸收体后的又一力作。对探索石墨烯在清洁能源的高效利用方面，有实际意义。