光熱效率91%！“木基太陽能板”可能顛覆硅基太陽能

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　　撰文：Bell

　　編輯：小瀾

　　→這是《環(huán)球零碳》的1953篇原創(chuàng)

　　大家都知道“太陽能光伏板”，但你聽說過“太陽能木材板”嗎？

　　最近，科學(xué)家們通過改造我們生活中常見的輕質(zhì)木材板，成功制造出一種能夠吸收陽光、儲(chǔ)存熱量，甚至能夠在光消失后持續(xù)發(fā)電的“神奇木板”。

　　也就是說，以后太陽能光伏板，可以不用硅基，用木基材料也可以。

　　這不是在開玩笑。來自昆明理工大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Material）期刊上發(fā)表了一項(xiàng)研究，他們通過對(duì)輕木進(jìn)行由內(nèi)而外的“納米級(jí)改造”，造出了一種集吸光、儲(chǔ)熱、自清潔、防火、抗菌于一身的復(fù)合木材。

　　更妙的是，即便陽光消失，它儲(chǔ)存的熱量還能繼續(xù)發(fā)電。

　　研究人員利用輕木的多孔結(jié)構(gòu)，通過一種無碳化、界面工程的策略，制備了多功能復(fù)合相變材料，解決了傳統(tǒng)太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料加工能耗高、環(huán)境適應(yīng)性差的痛點(diǎn)。

　　這項(xiàng)工作的意義，不只是造出了一塊“發(fā)電木頭”。它證明了一種理念：木頭本身就可以成為一個(gè)完整、高效的太陽能熱能收集平臺(tái)。

　　圖說：太陽能-熱能轉(zhuǎn)換的界面工程木基設(shè)計(jì)

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

　　那為什么要選擇用輕木來開發(fā)光熱平臺(tái)？

　　科學(xué)家看中的，正是輕木木材牢固、低密度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)天生就是一套完美的“管道系統(tǒng)”。

　　輕木板由“最輕的商品木材”——巴沙木制作而成。巴沙木木材質(zhì)地雖輕但結(jié)構(gòu)牢固，是航空、航海以及其它特種工藝的寶貴材料。

　　在顯微鏡下，輕木板的橫截面像蜂巢一樣排列著無數(shù)直徑約20到50微米的微管，這些通道不僅能快速傳導(dǎo)熱量，還是理想的“儲(chǔ)物間”。

　　圖說：輕木示意圖

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　　不過，天然木頭有兩個(gè)缺點(diǎn)：顏色淺容易反光，而且特別吸水。因此，研究團(tuán)隊(duì)的第一步，是去掉木頭里的木質(zhì)素，只留下纖維素。

　　脫掉木質(zhì)素的木材變成了純白色，孔隙率飆升至93%以上，活像一塊蓬松的“納米海綿”，而那些整齊排列的微管骨架依然完好。

　　接下來的操作才是關(guān)鍵。他們沒有像傳統(tǒng)做法那樣把木頭燒成碳（高溫碳化會(huì)破壞木材表面的活性基團(tuán)），而是在微管的內(nèi)壁上進(jìn)行了一場(chǎng)精密的“化學(xué)裝修”。

　　裝修材料的主角是一種叫黑磷烯（Black Phosphorene）的二維納米片。

　　它的本事在于：從紫外線、可見光一直到紅外線，幾乎能把陽光里所有的波段都吸收進(jìn)來，然后高效轉(zhuǎn)化成熱量。

　　更難得的是，黑磷烯本身還有阻燃性，比碳材料安全得多。不過。它也有個(gè)致命弱點(diǎn)——在空氣里極容易氧化失效。

　　研究人員想了個(gè)辦法：用單寧酸和鐵離子編織成一層致密的“金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（MPN）”分子屏障，像保鮮膜一樣把每一片黑磷烯緊緊裹住。

　　這層保護(hù)膜不但能防止黑磷烯氧化、暴曬150天依然穩(wěn)定，還能通過電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)光吸收。

　　圖說：滴鑄黑磷烯納米片（BPNS）和金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（MPN）后的木材示意圖

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

　　為了讓吸光能力再上一層樓，研究團(tuán)隊(duì)還在涂層中原位還原了銀納米顆粒。

　　這些微小的銀粒子會(huì)引發(fā)“局域表面等離子體共振”——簡單說，就是讓光和材料的相互作用變得更強(qiáng)烈，吸收的光更多。

　　最后，他們又在表面接上了疏水長鏈烴基，讓整個(gè)通道內(nèi)壁變得極具疏水性，水滴落上去接觸角高達(dá)153°，直接滾走，順便帶走灰塵。

　　而且，表面的銀離子是天然的抑菌高手，讓木頭在潮濕環(huán)境下也不會(huì)發(fā)霉長毛。

　　圖說：微觀結(jié)構(gòu)疏水性和自清潔功能示意圖

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

　　“裝修”完成的木頭骨架，接下來要填充真正的儲(chǔ)能主力——硬脂酸。

　　硬脂酸是一種生物基的相變材料，受熱熔化時(shí)能大量吸收熱量，冷卻凝固時(shí)再把熱量釋放出來。

　　研究人員在木頭通道中灌滿了這種相變材料。中午太陽暴曬時(shí)，它吸收熱量融化成液體，把熱能存起來；晚上降溫時(shí)，它又凝固放熱，把熱能還回來。

　　這套組合拳下來，這種“太陽能木材板”實(shí)測(cè)儲(chǔ)熱密度高達(dá) 175 kJ/kg。

　　而且，得益于黑磷烯的強(qiáng)力吸光和木頭通道的導(dǎo)熱效應(yīng)，它的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91.27%，幾乎把絕大部分陽光都變成了熱。

　　圖說：填充硬脂酸后的木基光熱平臺(tái)微觀結(jié)構(gòu)

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

　　將這塊“木頭”貼在熱電發(fā)電機(jī)上，在模擬的太陽光強(qiáng)度下，輸出電壓達(dá)到了0.65伏。足夠驅(qū)動(dòng)一些小功率傳感器。

　　哪怕移走光源，儲(chǔ)存的熱量仍能維持溫差，讓電力輸出再延續(xù)一段時(shí)間。

　　除了能量表現(xiàn)，它的耐用性也相當(dāng)驚人。在100次熔化-凝固循環(huán)后性能幾乎不衰減；遇到明火能在兩分鐘內(nèi)自熄；表面的超疏水和抗菌特性還能防止灰塵堆積和微生物滋生，避免戶外長期使用時(shí)性能“打折”。

　　總結(jié)來說，這項(xiàng)技術(shù)的魅力在于，它沒有通過高溫碳化去破壞木頭的結(jié)構(gòu)，而是在保留木材天然可持續(xù)屬性的同時(shí)，賦予了它遠(yuǎn)超自然屬性的功能。

　　當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室走到實(shí)際應(yīng)用還有一段路，研究人員還需要解決如何進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電功率、如何大規(guī)模運(yùn)行等問題。

　　但這條路一旦走通，它的應(yīng)用場(chǎng)景將非常廣闊——從離網(wǎng)地區(qū)的小型供電設(shè)備，到建筑節(jié)能材料，再到電子產(chǎn)品的熱管理，都可以應(yīng)用類似的設(shè)計(jì)。

　　圖說：小木塊可以作為模塊化熱單元將光能轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能，可靈活組裝實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)大

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

　　未來，類似的思路還可以拓展到其他生物質(zhì)材料和納米材料上，催生新一代能夠自主捕獲、儲(chǔ)存和管理能源的太陽能系統(tǒng)。

　　也許有一天，我們的房屋外墻、窗框甚至家具，都不再是簡單的“死物”，而是默默收集陽光、調(diào)節(jié)溫度、甚至發(fā)電的“智慧系統(tǒng)”。

　　Reference：

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

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