新型二维材料MXene Ti3C2Tx局部表面等离子体共振（LSPR）效应强化太阳能吸收

本文作者：
于伟 上海第二工业大学
岳亚楠 武汉大学

二维过渡金属碳（氮）化物（Mxene）是自2011年YuryGogotsi等发现碳化钛（Ti₃C₂T_x）以来的一类新型的二维材料。因其具优异的高导电性、高导热性、电磁波吸收能力等性能已被广泛应用于电磁屏蔽、超级电容器、催化等各个领域。最近，MXene被证明具有超强光吸收能力，其太阳光谱响应范围可扩展到近红外（NIR）区域，在太阳能光热储能系统的中显示出了巨大的应用前景。已有大量的研究报道了MXene的光热转换效应，然而对其作为光吸收剂的光热转化机理，人们尚缺乏深入了解。

近日，上海第二工业大学于伟教授团队、武汉大学岳亚楠教授团队利用刻蚀-剥离的方法制备了多层MXene（m-Ti₃C₂T_x）和类似石墨烯结构的二维薄层MXene（t-Ti₃C₂T_x）纳米片，得到了具有超稳定胶体性质的Ti₃C₂T_x-H₂O纳米流体，并以此作为直接式太阳能集热器（DASCs）的工作流体对其光热转换性能及机理进行了研究。结果表明：薄层Ti₃C₂T_x纳米流体表现出了较高的光热转化性能，在质量分数为0.02%时，最大光热转化效率达到了91.9%。同时，建立了数值模型从微纳尺度对其辐射能量的转换进行探究，发现薄层MXene Ti₃C₂T_x的较强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应强化了Ti₃C₂T_x-H₂O纳米流体光吸收性能。此外，耦合效应和Ti₃C₂T_x粒子的形状在光热吸收和转换中也起着重要作用。光热转化机理如图1 所示：

图1 Ti₃C₂T_x-H₂O光热转化机理图

图2 MXene Ti₃C₂T_x的制备过程示意图

图3 (a) Ti₃AlC₂、m-Ti₃C₂T_x和t-Ti₃C₂Tx吸光度; （b)含Ti₃AlC₂、m-Ti₃C₂T_x和t-Ti₃C₂Tx质量分数为0.05wt%纳米流体在808nm处放置15天透射率变化（插图为t-Ti₃C₂Tx-H₂O纳米流体的丁达尔效应）

由图3可知Ti₃C₂T_x-H₂O具有较宽的光响应范围可扩展到近红外（NIR）区域且放置15天光透过率没有增加，说明我们制备的Ti₃C₂T_x-H₂O纳米流体具加较高的稳定性并表现出胶体典型的丁达尔效应，突破了纳米流体在太阳热利用领域稳定性差易发生团聚沉淀的限制。

图4 (a) 温度平衡时热成像；（b）光热转化效率；（c）含有相同质量分数(0.02wt%)不同纳米颗粒的纳米流体的光热转换效率比较

由图4可知Ti₃C₂T_x-H₂O具有较高的光热转化性能，当质量分数为0.02%的时，最大光热转化效率达到了91.9%，高于我们团队之前制备的具有较好光热转化效果的光热功材料。

图5 (a) Ti₃C₂T_x仿真模型结构;  (b)吸光度模拟结果; (c)薄层Ti₃C₂T_x的上表面光场增强贡献；（d）多层Ti₃C₂T_x的上表面光场增强贡献

图5可以看出，薄层Ti₃C₂T_x的上表面光场增强贡献最大达到3.1057，其增强贡献比多层Ti₃C₂T_x高2倍 (Mmax = 1.5689)。即Ti₃C₂T_x的LSPR效应与他贵金属纳米粒子Au和Ag等一样易受结构几何参数的影响。薄层MXene Ti₃C₂T_x较好的光热性能主要源于其较强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，可以通过降低厚度来提高LSPR效应。

以上成果发表在SolarEnergy Materials and Solar Cells上，上海第二工业大学工学部研究生王德兵和武汉大学研究生方宇欣为共同第一作者，上海第二工业大学工学部于伟教授、武汉大学岳亚楠教授为共同通讯作者。

论文信息：

Significantsolar energy absorption of MXene Ti₃C₂T_x nanofluids via localized surface plasmon resonance, Solar Energy Materials & Solar Cells 220 (2021) 110850, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110850

信息来源：微纳尺度传热

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