华北电力大学刘国华教授：太阳能热等离子体技术研究进展

研究背景

等离子体具有较高的光控制，并刺激了太阳能的基础研究和工程应用。表面等离子体共振增强了光散射和吸收。调整纳米结构中的等离子体激发可以来控制热载流子发射。表面等离子体动能的阻尼耗散释放的纳米级热量，可用于制造高性能纳米加热器和散热器。光谱和热工程等离子体纳米材料由于其独特的热等离子体特性而引起了太阳能应用的极大关注。针对这些进展，华北电力大学刘国华教授从热等离子体学的物理机制、结构调优策略和太阳能应用等方面对当前热等离子体学研究进行了综述，明确了等离子体现有研究进展，并总结概述了该技术进一步发展的未来挑战以及一些建议。

相关成果以 “Progress in thermoplasmonics for solar energy applications”为题，发表在《Physics Reports》（IF=30.51）上。

综述内容

1.热等离子体基础知识

热等离子体基本原理的概述如图1所示。

图1. 本文介绍的热等离子体基础知识概述

1.1. 光热转换

1.1.1. 光-物质相互作用

光-物质相互作用取决于入射光的波长/频率、材料光学性质和被照物体的大小。

图2. 不同结构尺寸的光-物质相互作用

图3. 等离子体共振。（a） LSPR；（b） SPP；（c） F-P型腔模式；（d） 间隙模式；（e） SLR模式；（f） 法诺共振

1.1.2. 等离子体共振

等离子体共振是指当光频率与电子的振荡频率一致时，电子在外部照射下的激发振荡。

图4. 围绕Ag颗粒的电场增强。实验测量的（a）和FDTD计算的；（b）电场强度图

1.1.3. 加热和集体效应

对等离子体加热的基本理解如图5所示。随着能量从光子到电子的转移，以及从热载流子到材料晶格的转移，晶格中的能量耗散将能量作为热量传递到周围的介质。

图5. 涉及发热的主要过程：具有典型时间尺度的等离子体共振的光激发和弛豫

图6. 水中金颗粒的光热加热。（a）示意图；（b）电近场强度；（c）产热密度；（d）温度升高的平衡分布；（e） 吸收功率作为波长的函数；（f） 稀疏性低，其特点是热源周围的温度升高；（g）具有整体温度偏移的集体效应

1.2 传热

随着温度在控制体积内升高，热量不可避免地会消散到周围环境中。这个过程被称为传热。温度升高的程度取决于如何有效地散热。有三种机制需要考虑：传导，对流和辐射，如图7。

图7. 传导、对流和辐射传热

1.2.1. 热传导

热传导通过相邻原子/分子的直接碰撞发生，将热能从一个原子传递到另一个原子。当物体中存在温度梯度时，这种能量从高温区域转移到低温区域。

1.2.2. 热对流

热对流是由热表面和相邻流体之间的温差驱动的。相变也属于这种情况，因为传热流来自气泡排放或蒸汽冷凝。考虑到流体在热表面上流动，传导热量从表面流入层流流体层，然后进入正在移动的相邻流体。因此，热对流是热传导和热传递叠加到流动流体中，总传热等于两种能量传递的组合。有两种类型的对流，强制对流和自由对流。强制对流由外部风扇或泵驱动。而对于自由对流，浮力驱动的流动是通过温度变化时的密度差异来实现的。

1.2.3. 热辐射

辐射起源于带电粒子的运动，能量以光子的形式发射。所有表面都会发出热辐射，辐射速率取决于绝对温度和表面特性。近场辐射传热在纳米物体之间占主导地位，可以超过远场辐射的物理极限。

1.3. 热诱导过程

对周围介质的散热与热诱导过程有关。这是对太阳能的应用，因为各种过程也可能出现在太阳能吸收器的周围，其中温度升高将导致强烈的加热或化学反应。具体而言，热量和质量传递通常发生在太阳能集热器和海水淡化过程中。强加热和相变与应力波传播有利于太阳蒸发和灭菌。热力学反应的知识对于支持太阳热化学是有用的。折射率变化和热发射的含量支撑着太阳能散热器和热光伏等的设计。

1.3.1. 质量传递

等离子体加热诱导的质量传递包括布朗运动、热泳和流动诱导的传递。

图8. （a） 活性布朗粒子的四种不同状态；（b）热泳；（c）对流；（d）热渗透

1.3.2. 相变和应力波

等离子体加热器周围的相变包括吸收体的颗粒重塑/熔化和/或周围介质的相变。因此，具有良好热稳定性的太阳能吸收器对于大规模应用非常重要。

图9. 气泡动力学和应力波。（a） 气泡生命周期；（b） 压力和（b）水中温度的分布。模拟以 60 J m 的流量进行，脉冲持续时间为200 fs，粒子半径为50 nm

1.3.3. 化学反应

图10. 热等离子体活化化学。（a）热载体在降低化学反应的活化屏障方面；（b）等离子体诱导的解离反应，显示（i）初始状态和（ii）反应和（iii）分子激发态的弛豫；（c） 从金属到吸附剂的间接热电子转移：（一） 热载流子的非热化分布;（二） 热载体的非热化分布;（三）（ii）热化热载流子的费米-狄拉克分布；（d） 直接电子转移

1.3.4折射率变化和热发射

图11. 热发射物理（a）理想的黑体建立热平衡，产生普朗克光谱；（b） 基尔霍夫定律所描述的能量平衡；（c） 纳米结构材料的热辐射具有较窄的光谱；（d） 纵向LSPR的电场分布；（e）嵌入蓝宝石衬底上氧化铝层内的纳米棒阵列，具有对称和非对称的杂交模式；（f） 热辐射光谱

2. 热等离子体调优策略

等离子体共振取决于组成材料的固有特性、粒径和形状，以及包括光偏振、偶极子取向、耦合结构之间的间隙距离和周围介质的介电常数在内的外部耦合。这种依赖关系使等离子体共振的静态工程成为可能。控制等离子体共振的另一种有效方法是调整周围环境的折射率。使用可重构物质为改变等离子体共振提供了主动途径。在本节中，讨论了三类调谐策略（图12），包括自可调等离子体，等离激元偶联和活性等离子体，以说明热等离子体调谐中的清晰图景。大多数策略已被用于指导太阳能应用中的热等离子体设计。即使有些策略尚未得到实际应用，它们仍将在未来太阳能技术的发展中发挥重要作用。

图12. 热等离子体调整策略

2.1. 自可调策略

2.1.1. 组成材料

图13. 无量纲数，表征等离子体材料增强近场（Fa）和产生热量（Jo）的能力，其绘制为共振波长的函数。每个波长对应于结构的不同纵横比。

2.1.2. 大小效应

图14. 大小对核壳粒子共振峰的影响，以及相应的加热效应

2.1.3. 形状效果

图15. （a）高纵横比颗粒的光谱，如椭圆体，圆柱形圆盘，三角形纳米棱镜，纳米棒；（b） 吸收光谱对形状的依赖性

2.2.等离子体偶联策略

2.2.1. 粒子间距离

图16. 颗粒偶联效应。（a） 等离子体二聚体中的能量杂交；（b） 具有不同粒子间距离的吸收光谱；（c） 归一化消光截面（Cext / Cgeo） 上显示颗粒数；（d）单个粒子以不同的波长吸收光，电子被激发，然后作为热量消散；（e） 等离子体颗粒色散（蓝线）、自组装膜（红线）和3D模板化膜（紫线）的典型吸收光谱

2.2.2. 方向和配置

图17. 空间取向和相应的加热功率（a，b）金纳米棒；（c，d）纳米板和（e，f）纳米笼。

在各向异性结构的情况下，取向和构型是确定等离子体相互作用和偶极矩的关键因素，从而影响等离子体共振。

2.2.3. 与周围介质的耦合

图18. 热等离子体与周围介质的耦合。辐照金颗粒在玻璃（a）和蓝宝石（b）基板上的温度分布；（c） 等离子体纳米烘箱中的光学、热和压力响应。

2.3. 主动调优策略

2.3.1. 光入射偏振

图19. 入射角下的偏振光波。（a、b）吸收和消光截面分别作为光波长和入射角的函数；（c） 上下球体部分吸收截面的比率；（d） 温度升高的比率

2.3.2. 可调谐介电环境

图20. 具有可调介电环境的热等离子体。（a） 照射时金颗粒的温度曲线；（b） 通过外部照射进行可逆控制；（c） 具有周期性加热和冷却的消光光谱

2.3.3. 可调间隙距离

图21. 拉伸下具有可调间隙距离的热等离子体；（b） 吸收截面曲线；（c） 不同拉伸的温度映射。

3. 在太阳能中的应用

得益于调谐策略和先进的制造技术，已经开发了各种等离子体结构及其耦合。它允许灵活地调整其等离激元共振，光谱光谱，电磁强度和光热性能，用于直接太阳热转换或间接太阳热化学中的应用（图 22）。

图22. 热等离子体在太阳能中的应用。

3.1. 直接的光热转换

3.1.1. 太阳能集热器

太阳能集热器是一种将太阳光转化为有用热量的热力装置，可分为平板和聚光技术。

图23. 用于太阳能集热器的热等离子体纳米流体

3.1.2. 太阳能散热器

图24. 等离子体天线（左面板）显示高辐射光谱响应，并通过在天线切片之间使用介电间隔器实现几乎纯辐射和非辐射区域（右面板）。

3.1.3. 太阳能热光伏

太阳能电池允许将太阳能直接转化为电能，在能源领域起着至关重要的作用。

图25. 太阳能热光伏发电。中间等离子体吸收剂收集进入的太阳光以加热，然后产生为太阳能电池的带隙量身定制的热发射。

3.1.4.太阳能海水淡化

图26. 太阳能界面海水淡化。（a） 实验设置和 （b） 等离子体增强过程。

3.1.5. 太阳能杀菌

图27. 太阳能水杀菌

3.2.1. 光催化

图 28. 水中苯酚的太阳降解，以及（a）黑暗和（b）太阳照射下所涉及的机制。

3.2.2. 光化学合成

图 29. 太阳能化学合成。高能电子和局部加热效应都会影响丙烯在Au-Cu上的化学反应2O型催化剂

3.2.3. 太阳能制氢

图 30. 太阳能制氢（a）太阳强度和温度；（b）氢气产生速率，以及（c）冷凝水（顶部）和氯浓度（底部）

3.2.4. 太阳能CO2降解

图 31. 太阳能CO2减少。（a）纳米级温室效应；（b） 估计的当地温度和（c） CO2转化率

3.2.5. 太阳能肥料

图 32. （a） 太阳能氨合成；（b） Ru簇周围的温度曲线；（c） 不同尺寸催化剂的氨生成速率

结论

本文综述了太阳热等离子体在太阳能应用中的应用的最新进展。简要地重新审视光物质反应，以探索能带结构与其光学反应。讨论了等离子体谐振，重点是LSPR和SPP的基本模式，以及耦合模式。等离子体加热的基本原理被区分为局部和集体加热效应。包括传导、对流和辐射在内的传热方案已被考虑详细说明耗散能量如何导致局部温度升高。热诱导过程详细阐述了质量传递，相变和应力波，化学反应，折射率变化和热发射等方面。然后充分讨论等离子体调谐策略，考虑自可调等离子体，等离激元偶联和活性等离子体。自可调等离子体是通过调整组件的组成材料，尺寸和形状来实现的。等离子体偶联的原理和结构还通过控制粒子间距离，单个组分的方向，配置和周围介质来呈现。通过控制入射角或使用可重构物质作为周围介质的活性等离子体也被认为动态调节等离子体响应。此外，还展示了各种等离子体结构及其耦合，以收集太阳能用于各种应用。等离子体薄膜结构包括纳米多孔阵列，聚集的纳米线束，具有随机尺寸和分布的密集堆积颗粒，特别突出用于太阳能集热器和散热器，热光伏发电，太阳能海水淡化和灭菌，降解和催化，太阳能燃料和肥料。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0370157322002605

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