新型二維材料MXene Ti3C2Tx局部表面等離子體共振（LSPR）效應
強化太陽能吸收
二維過渡金屬碳（氮）化物（Mxene）是自2011年YuryGogotsi等發(fā)現(xiàn)碳化鈦（Ti3C2Tx）以來的一類新型的二維材料。因其具優(yōu)異的高導電性、高導熱性、電磁波吸收能力等性能已被廣泛應用于電磁屏蔽、超級電容器、催化等各個領域。最近，MXene被證明具有超強光吸收能力，其太陽光譜響應范圍可擴展到近紅外（NIR）區(qū)域，在太陽能光熱儲能系統(tǒng)的中顯示出了巨大的應用前景。已有大量的研究報道了MXene的光熱轉換效應，然而對其作為光吸收劑的光熱轉化機理，人們尚缺乏深入了解。
近日，上海第二工業(yè)大學于偉教授團隊、武漢大學岳亞楠教授團隊利用刻蝕-剝離的方法制備了多層MXene（m-Ti3C2Tx）和類似石墨烯結構的二維薄層MXene（t-Ti3C2Tx）納米片，得到了具有超穩(wěn)定膠體性質的Ti3C2Tx-H2O納米流體，并以此作為直接式太陽能集熱器（DASCs）的工作流體對其光熱轉換性能及機理進行了研究。結果表明：薄層Ti3C2Tx納米流體表現(xiàn)出了較高的光熱轉化性能，在質量分數(shù)為0.02%時，最大光熱轉化效率達到了91.9%。同時，建立了數(shù)值模型從微納尺度對其輻射能量的轉換進行探究，發(fā)現(xiàn)薄層MXene Ti3C2Tx的較強的局域表面等離子體共振(LSPR)效應強化了Ti3C2Tx-H2O納米流體光吸收性能。此外，耦合效應和Ti3C2Tx粒子的形狀在光熱吸收和轉換中也起著重要作用。光熱轉化機理如圖1 所示：
圖1 Ti3C2Tx-H2O光熱轉化機理圖
圖2 MXene Ti3C2Tx的制備過程示意圖
圖3 (a) Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx吸光度; （b)含Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx質量分數(shù)為0.05wt%納米流體在808nm處放置15天透射率變化（插圖為t-Ti3C2Tx-H2O納米流體的丁達爾效應）
由圖3可知Ti3C2Tx -H2O具有較寬的光響應范圍可擴展到近紅外（NIR）區(qū)域且放置15天光透過率沒有增加，說明我們制備的Ti3C2Tx -H2O納米流體具加較高的穩(wěn)定性并表現(xiàn)出膠體典型的丁達爾效應，突破了納米流體在太陽熱利用領域穩(wěn)定性差易發(fā)生團聚沉淀的限制。
圖4 (a) 溫度平衡時熱成像；（b）光熱轉化效率；（c）含有相同質量分數(shù)(0.02wt%)不同納米顆粒的納米流體的光熱轉換效率比較
由圖4可知Ti3C2Tx -H2O具有較高的光熱轉化性能，當質量分數(shù)為0.02%的時，最大光熱轉化效率達到了91.9%，高于我們團隊之前制備的具有較好光熱轉化效果的光熱功材料。
圖5 (a) Ti3C2Tx仿真模型結構; (b)吸光度模擬結果; (c)薄層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻；（d）多層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻
圖5可以看出，薄層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻最大達到3.1057，其增強貢獻比多層Ti3C2Tx高2倍 (Mmax = 1.5689)。即Ti3C2Tx的LSPR效應與他貴金屬納米粒子Au和Ag等一樣易受結構幾何參數(shù)的影響。薄層MXene Ti3C2Tx較好的光熱性能主要源于其較強的局域表面等離子體共振(LSPR)效應，可以通過降低厚度來提高LSPR效應。
以上成果發(fā)表在Solar
Energy Materials and Solar Cells上，上海第二工業(yè)大學工學部研究生王德兵和武漢大學研究生方宇欣為共同第一作者，上海第二工業(yè)大學工學部于偉教授、武漢大學岳亞楠教授為共同通訊作者。Significant
solar energy absorption of MXene Ti3C2Tx nanofluids via localized surface plasmon resonance, Solar Energy Materials
& Solar Cells 220 (2021) 110850,
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110850