TiN纳米颗粒实现太阳能利用新突破

材料牛注：日本国立研究所材料纳米构造中心的科学家们利用TiN纳米颗粒实现阳光的高效吸收，从而提高能源利用效率。

（a）利用纳米颗粒的太阳能热水系统（b）来自太阳能模拟器的冷凝光对溶有TiN纳米颗粒的作用。需要注意的是即使在水温升高前，上升的水蒸气也可以被观察到。

日本国立研究所（NIMS）材料纳米构造中心（MANA）纳米系统光子学组负责人Tadaaki Nagao和学者Satoshi Ishii的研究团队通过数值计算发现，过渡金属氮化物和碳化物纳米颗粒能有效吸收阳光。同时实验证实，当氮化物纳米颗粒分散于水中时，会迅速提升水温。通过有效利用阳光，这些纳米颗粒可能被应用于水的加热和蒸馏。

阳光是最具前景的可再生能源之一。阳光利用的实例有：利用太阳能电池发电和通过光热转换的方式（该过程中吸收的太阳光能够被转换为热量）实现水加热。水和空气加热占家庭能源消耗的55%。如果阳光可以高效地转化为热量，那么无需使用电能来加热水和空气将成为可能，从而减少二氧化碳的排放量。利用常规的太阳能集热器和集热管吸收阳光的方法会由于热传导方式导致热量损失。由于纳米颗粒分散在介质中时可直接加热包括水在内的介质，因此而备受关注。

最近，该研究团队和研究员Naoto Umezawa（日本国立研究所环境与能源材料部，环境修复材料团队催化材料组高级研究员）共同通过第一性原理计算来寻找适合光热转换的纳米颗粒材料，并估算其物理性能。研究团队发现，过渡金属氮化物和碳化物——陶瓷能够高效吸收阳光。此外，在将氮化钛（TiN）从众多过渡金属氮化物中挑选出后，研究团队将TiN纳米颗粒分散进水中，并对水溶液进行光照。在这项实验中，研究团队证实TiN纳米颗粒能以接近90%的高效率将阳光转化为热量。由于TiN纳米颗粒表现出宽带等离子体共振，因此在每个纳米颗粒基上TiN纳米颗粒的阳光吸收效率可能比金、碳纳米颗粒的更高。在未来的研究中，该团队正计划将所得成果应用于地热、水热、污水和海水的蒸馏上。除了这个项目，该研究团队还致力于其他纳米颗粒的应用，诸如介于聚合物和纳米颗粒之间的高分子材料的发展、纳米颗粒介导的化学反应研究。

原文链接：High efficient solar water heating achieved with nanoparticles

文献链接：Titanium Nitride Nanoparticles as Plasmonic Solar Heat Transducers

本文由编辑部王宇提供素材，张恒编译，刘宇龙审核。