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新型二維材料MXene Ti₃C₂T_x局部表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)強(qiáng)化太陽能吸收

二維過渡金屬碳（氮）化物（Mxene）是自2011年YuryGogotsi等發(fā)現(xiàn)碳化鈦（Ti₃C₂T_x）以來的一類新型的二維材料。因其具優(yōu)異的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、電磁波吸收能力等性能已被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽、超級(jí)電容器、催化等各個(gè)領(lǐng)域。最近，MXene被證明具有超強(qiáng)光吸收能力，其太陽光譜響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到近紅外（NIR）區(qū)域，在太陽能光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的中顯示出了巨大的應(yīng)用前景。已有大量的研究報(bào)道了MXene的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，然而對(duì)其作為光吸收劑的光熱轉(zhuǎn)化機(jī)理，人們尚缺乏深入了解。

  近日，上海第二工業(yè)大學(xué)于偉教授團(tuán)隊(duì)、武漢大學(xué)岳亞楠教授團(tuán)隊(duì)利用刻蝕-剝離的方法制備了多層MXene（m-Ti₃C₂T_x）和類似石墨烯結(jié)構(gòu)的二維薄層MXene（t-Ti₃C₂T_x）納米片，得到了具有超穩(wěn)定膠體性質(zhì)的Ti₃C₂T_x-H₂O納米流體，并以此作為直接式太陽能集熱器（DASCs）的工作流體對(duì)其光熱轉(zhuǎn)換性能及機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：薄層Ti₃C₂T_x納米流體表現(xiàn)出了較高的光熱轉(zhuǎn)化性能，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，最大光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了91.9%。同時(shí)，建立了數(shù)值模型從微納尺度對(duì)其輻射能量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)薄層MXene Ti₃C₂T_x的較強(qiáng)的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)強(qiáng)化了Ti₃C₂T_x-H₂O納米流體光吸收性能。此外，耦合效應(yīng)和Ti₃C₂T_x粒子的形狀在光熱吸收和轉(zhuǎn)換中也起著重要作用。光熱轉(zhuǎn)化機(jī)理如圖1 所示：

圖1  Ti3C2Tx-H2O光熱轉(zhuǎn)化機(jī)理圖

圖2 MXene Ti3C2Tx的制備過程示意圖

圖3 (a) Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx吸光度; （b)含Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05wt%納米流體在808nm處放置15天透射率變化（插圖為t-Ti3C2Tx-H2O納米流體的丁達(dá)爾效應(yīng)）

   由圖3可知Ti3C2Tx -H2O具有較寬的光響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到近紅外（NIR）區(qū)域且放置15天光透過率沒有增加，說明我們制備的Ti3C2Tx -H2O納米流體具加較高的穩(wěn)定性并表現(xiàn)出膠體典型的丁達(dá)爾效應(yīng)，突破了納米流體在太陽熱利用領(lǐng)域穩(wěn)定性差易發(fā)生團(tuán)聚沉淀的限制。

圖4 (a) 溫度平衡時(shí)熱成像；（b）光熱轉(zhuǎn)化效率；（c）含有相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.02wt%)不同納米顆粒的納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率比較

   由圖4可知Ti3C2Tx -H2O具有較高的光熱轉(zhuǎn)化性能，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的時(shí)，最大光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了91.9%，高于我們團(tuán)隊(duì)之前制備的具有較好光熱轉(zhuǎn)化效果的光熱功材料。

圖5 (a) Ti3C2Tx仿真模型結(jié)構(gòu);  (b)吸光度模擬結(jié)果; (c)薄層Ti3C2Tx的上表面光場(chǎng)增強(qiáng)貢獻(xiàn)；（d）多層Ti3C2Tx的上表面光場(chǎng)增強(qiáng)貢獻(xiàn)