新型二维材料MXene Ti₃C₂T_x局部表面等离子体共振（LSPR）效应强化太阳能吸收

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  Ti3C2Tx-H2O光热转化机理图

图2 MXene Ti3C2Tx的制备过程示意图

图3 (a) Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx吸光度; （b)含Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx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Ti3C2Tx -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Ti3C2Tx -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Ti3C2Tx -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) Ti3C2Tx仿真模型结构;  (b)吸光度模拟结果; (c)薄层Ti3C2Tx的上表面光场增强贡献；（d）多层Ti3C2Tx的上表面光场增强贡献