CCS Chemistry | 光-热-电转换一体，纳米通道光电器件显著提升太阳能利用效率

摘要：南京大学夏兴华课题组提出了一种集成表面等离激元共振光热转换和热驱动纳米通道电荷分离的光-热-电连续转换装置。该技术利用表面等离激元共振吸收太阳光对纳米通道局部进行加热，有效提升了通道内的温度梯度；同时，通过调控纳米通道的尺寸和表面电荷显著增加了通道内的电荷分离程度，使热电转换系数达到0.76 mV/K，较宏观体系大一个数量级。

温度低于100 ℃的低品位热能，尤其是太阳热能，具有分布广、储量大的特点。低品位热能的收集依赖于热电转换技术的发展。传统的固相热电转换技术受热电材料限制，仍具有转换效率低、成本高的缺点，且不适用于低温环境。相较而言，基于离子的热电转化技术利用热驱动下离子的扩散迁移进行发电，具有经济、环保的特点，且更适用于低温环境。然而，由于缺乏有效手段调控正、负离子的热迁移过程，该技术的发展仍然面临严峻挑战。

鉴于此，南京大学夏兴华课题组在前期纳米通道物质传输性质系列研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 7943 –7947; Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3836–3844; J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 2, 524–529）的基础上，提出了利用纳米通道的离子选择性（即通道优先传输与其表面电荷相反的离子）调控正、负离子的热迁移过程，提升电荷分离程度，以实现高效热电转换的方法。该方法以纳米金-多孔阳极氧化铝复合膜为基础，利用金纳米结构的宽波段、强表面等离激元共振光吸收将光能高效转换为热能，进而在纳米通道内诱导形成大的温度梯度驱动离子传输，最终在通道离子选择性作用下形成电荷分离，将热能转换为电能（图1a）。

该纳米金-多孔阳极氧化铝复合膜具有不对称结构（图1b），其中具有表面等离激元共振吸收特性的金材料负载在大孔侧（孔径200-300 nm）（图1c），尺寸连续分布的金纳米粒子间产生强表面等离激元共振耦合，能高效吸收紫外-可见-近红外区的光能并将其转化成局域化的热能（图1d）；而复合膜的另一侧为孔径25 nm的小孔段，小孔径的通道表面电荷与传输离子间的静电作用使离子发生选择性传输，使电荷得以高效分离，产生明显的热膜电势。

图1

    随后，作者对纳米金-多孔阳极氧化铝复合膜在模拟太阳光照射下的光-热-电转换性能进行了深入研究。结果表明，光照使热膜电势迅速增加，随后达到平台，与膜两侧的温差变化保持高度一致。若氧化铝膜上未负载纳米金或者使用具有大孔径的对称膜结构均无法在光照下产生热膜电势，表明金纳米结构的表面等离激元共振耦合光热转换和小孔径纳米通道中电荷高效分离是产生热膜电势的两个必要因素。

图2

    文章进一步通过改变离子价态和调控通道表面电荷密度（改变溶液pH），研究了纳米通道界面性质对正、负离子热迁移传输性质的调控机理。实验和理论模拟结果均表明，增加传输离子和通道表面电荷间的静电作用可以显著提升正、负离子电荷的分离程度，提升热膜电势，增强热电转换效率（图3）。

图3

    该工作构建了集光热转换与热电转换于一体的纳米通道光电器件，并提出了利用纳米通道的离子选择特性增强正、负离子的热迁移分离的方法，为太阳热能收集提供了一种简单、安全、环保、经济的解决方案。此项研究得到了国家自然科学基金的资助（21635004, 21775066）。该工作已在CCS Chemistry 网站“Just Published”栏目以research article 的形式上线。

文章详情：

A Solar Thermoelectric Nanofluidic Device for Solar Thermal Energy Harvesting

Zhong-Qiu Li^†, Zeng-Qiang Wu^†, Xin-Lei Ding, Ming-Yang Wu, and Xing-Hua Xia*

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 2174–2182

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000366

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