中国科学家构建新型光热系统，实现规模室外阳光驱动甲醇重整制氢( 二 )

由斯特藩-玻尔兹曼定律可知，材料的红外辐射与温度的四次方成正比。李亚光和团队的此前论文指出，当黑色光热材料在一个标准太阳光（1kWm2）辐照下的温度为200℃时，其热耗散为2.27kWm2 ，远远高于光能量输入，显然材料不能维持200℃的温度。
而红外辐射是材料的本质特征，只要存在温度差，物体时刻会向外界发出热辐射。基尔霍夫定律指出，一个物体对红外光的吸收比越大，它的辐射强度也就越大，即红外吸收越强的物体、其红外发射也越强。

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图|黑色材料的吸光特性及红外辐射（来源：NatureCommunications）
太阳光谱的能量，主要集中在紫外-可见-近红外波段，而远红外波段的能量则很少。如果材料不吸收红外光，或者说尽可能少地吸收红外光，如此就能减少红外辐射。但也要对紫外-可见-近红外波段进行高效吸收，才能达到吸收太阳光谱能量的效果，即让“光谱选择吸收策略”在提升材料太阳光吸收的同时，还能降低材料热辐射。出于该目的，李亚光将窄带隙的吸光材料和红外反射材料构成异质结构，从而去优化光热材料的太阳光吸收和红外辐射。
近日，相关论文以《光热材料的通用异质结构策略用于可规模化的太阳能光热制氢》（Generalheterostructurestrategyofphotothermalmaterialsforscalablesolar-heatinghydrogenproductionwithouttheconsumptionofartificialenergy）为题，发表在NatureCommunications上，李亚光担任第一作者兼通讯作者。

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图|相关论文（来源：NatureCommunications）
学科交叉有时会催生革命性进展

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具体来说，该团队选择碲化铋（Bi2Te3）为吸光材料，原因在于它是典型的窄带隙光热材料，能有效吸收太阳光谱能量并转化为热能。
另外，还需减少红外发射，为此他们选择具有强烈红外辐射反射能力的金属铜作为基底，这样就能产生以碲化铋和红外反射材料铜构成的异质结构。
同时，为减少材料的热传导，李亚光将其进行真空封装。最终碲化铋/铜能吸收89%的太阳光谱能量，红外辐射也变为纯碲化铋的1/20 。在一个标准太阳光辐照下，纯碲化铋粉末的辐照温度为93°C ，而碲化铋/铜异质结构的温度达到317°C ，这一温度远超过目前光热材料在一个标准太阳光辐照下的最高温度：120°C 。
【中国科学家构建新型光热系统，实现规模室外阳光驱动甲醇重整制氢】为什么要选择窄带隙的光热材料呢？主要原因有二：其一，窄带隙半导体的禁带宽度低于0.2eV ，不仅能高效吸收太阳光，还能进行高效的光热转换。由于太阳光谱中绝大部分光子能量大于0.5eV ，窄带隙半导体几乎能吸收所有的太阳光子。与此同时，窄带隙材料的能带缺陷很复杂，这会使得吸收光子的大部分能量以热能的形式释放。而深能级的空穴，也是会先弛豫到价带顶和导带底的电子复合，最终把多余能量以热能形式释放。其二，窄带隙半导体薄膜工艺成熟，可以降低制备成本，易于工业化。
李亚光指出，既然由碲化铋/铜构成的异质结构，能在一个标准太阳光辐照下达到317°C的高温，这样就可实现多个催化反应。氢气是未来社会的基础能源之一，具有很好的发展前景。但是，储存问题阻碍着氢气的发展，甲醇作为氢气的载体可以解决这一问题。但是甲醇释放氢气也需要能源输入，而碲化铋/铜构成的异质结构，在光照下的温度完全可以驱动甲醇重整制氢反应。