【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子催化與原位表征研究組(503組)李燦院士團隊在太陽能光熱轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，通過對典型寬禁帶半導(dǎo)體二氧化鈦進(jìn)行過渡金屬-非金屬共摻雜，在其帶隙中構(gòu)建離散的中間能帶(Intermediate band)，實現(xiàn)高效光吸收與光熱轉(zhuǎn)換，并揭示了缺陷態(tài)調(diào)控非輻射產(chǎn)熱機制，為發(fā)展高性能光熱材料提供了新思路。
太陽能作為重要的清潔可再生能源，其高效轉(zhuǎn)換利用是人類實現(xiàn)碳中和的重要途徑。光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠直接利用太陽能，在聚焦太陽能發(fā)電、海水淡化和光熱催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，太陽能水蒸發(fā)技術(shù)作為一種便捷、高效地獲取淡水資源的方式，受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體基材料的光熱轉(zhuǎn)換受限于其寬帶隙導(dǎo)致的低吸光效率，以及非輻射復(fù)合等問題，限制了光熱轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。
李燦團隊長期致力于太陽能光催化、光電催化、電催化、光伏發(fā)電等太陽能轉(zhuǎn)化科學(xué)與技術(shù)的研究。近期，團隊也在太陽能光熱轉(zhuǎn)化領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索研究，在熱化學(xué)循環(huán)制氫，光伏-熱電耦合發(fā)電等方向取得系列進(jìn)展。本工作從光熱轉(zhuǎn)換的本征物理過程出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控引入不同性質(zhì)的捕獲態(tài)/缺陷態(tài)(Trap/Defect states)作為光生電子-空穴的復(fù)合位點，提升了非輻射弛豫效率，實現(xiàn)了全太陽光譜的高效吸收與轉(zhuǎn)換，為太陽能水蒸發(fā)等應(yīng)用開辟了新途徑。
李燦團隊在前期工作中提出了太陽能分光譜區(qū)間熱轉(zhuǎn)換利用策略，通過測定太陽光譜各區(qū)間的本征光熱轉(zhuǎn)換效率，發(fā)現(xiàn)紫外光區(qū)是轉(zhuǎn)換效率的瓶頸；并通過非金屬摻雜，將半導(dǎo)體在紫外光區(qū)的轉(zhuǎn)換效率從65%提升到82%(ACS Appl. Energy Mater.，2024)。在本工作中，團隊進(jìn)一步通過對二氧化鈦(TiO2)進(jìn)行鉻(Cr)、氮(N)共摻雜，發(fā)現(xiàn)摻雜元素Cr、N在TiO2晶格中形成了Cr-N結(jié)構(gòu)單元。實驗證實，Cr 3d與N 2p軌道之間的d–p雜化作用在TiO2帶隙中構(gòu)建了中間能帶IBs，充當(dāng)電子-空穴復(fù)合位點，使得其能對紫外光利用效率達(dá)到92.5%，并在全太陽光譜(250至2500 nm)區(qū)間范圍內(nèi)實現(xiàn)93.4 %的高吸收效率，以及97.9%的光熱轉(zhuǎn)換效率。基于該材料制備的三維水蒸發(fā)器在一個太陽的標(biāo)準(zhǔn)光強下，能夠?qū)崿F(xiàn)4.59 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率和94.7%的太陽能水蒸發(fā)效率。戶外實驗表明，1m2蒸發(fā)器日均可產(chǎn)生約40 kg淡水，可滿足20名成年人的日常飲水需求，展現(xiàn)出了實際應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究進(jìn)展以“Structure regulation of TiO2 with transition metal nitride units towards efficient solar energy harvesting”為題，于近日發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。該工作的共同第一作者是我所503組博士研究生胡芯和助理研究員王升揚。以上工作得到國家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
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