高效光吸收宽谱广角仿生光功能材料制备及其光能转换研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51572169
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E02.无机非金属材料
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

It is particularly important to enhance the overall efficiency of solar energy utilization by design and preparation of highly efficient solar absorber functional materials worked on wider waveband and larger incident angle. Two limited methods used currently, that is component adjustment and surface texture, are not very benefit on the light absorbance enhancement and easily proceeding. Some special nature species, such as butterflies, snakes and leaves, for the purpose to survive, have evoluted the light absorption exocuticles with high light-trapping ability due to the subtle three-dimensional microstructure. The difficulty to fabricate such fine microstructures in lab has greatly inhibited the research on design and fabrication these subtle structures with higher light absorbance efficiency worked on wide waveband and larger incident angle. To solve this critical problem, this project will use these natural species as the direct or indirect biological template. By the chemical and physical fabrication method, intensive researches on the fabrication process of more efficient light-absorbing structure will be conducted. More efforts will be focused on the phase and microstructures conversion, the intrinsic relationship between the microstructures and waveband and incident angles. Moreover, a mathematic model based on Finite Difference Time Domain (FDTD) and multi-physical fields will be established to simulate the light absorbance and energy conversion process. The coupling effects between microstructures and related optical functions will be revealled then. All of the above studies will provide a theoretical basis and practical ways to the future development on optical functional materials with high efficiency light absorbance and light conversion.
设计和制备出在更宽光谱波段和更大入射角条件下的高效光吸收功能材料,对于太阳光能利用整体效率提高尤其重要。目前多采用组分复合和表面简单粗糙化这两种方案,导致光吸收能力提升有限且无法实现简捷制备。而自然界的某些特殊物种,如蝴蝶、蛇等,为了能在寒冷条件下生存,进化出具有极高光吸收能力的三维微纳结构外表皮。而目前实验室尚无法制备与此类似的精细结构,这极大抑制了针对利用这一精细结构提高在宽谱广角条件下高效吸收太阳光的研究。为解决这一关键问题,本研究主要利用上述生物材料作为生物模板,结合化学物理耦合和纳米压印方法,制备出具有仿生结构的高效光吸收宽谱广角光吸收及光能转换材料,并研究制备过程中相及组织的演化规律,微纳结构与宽谱广角光吸收性能及光能转换的内在关系。构建物理模型拟实揭示微纳结构与光功能特性间的耦合响应机制,为今后设计制备在宽谱广角下具有高效光吸收特性的光功能材料提供理论依据和实用途径。

结项摘要

设计和制备出在更宽光谱波段和更大入射角条件下的高效光吸收功能材料,对于太阳光能利用整体效率提高尤其重要。本研究在基金委的支持下,启迪于自然中具有极高光吸收能力的三维微纳结构的生物微纳光学构型,主要就光吸收功能材料的宽谱减反构型设计、光能吸收和转换一体化材料的构型甄选和制备开展研究。结合化学物理复合制备方法,制备出具有仿生构型的高效光吸收宽谱广角光吸收及光能转换材料,同时利用有限时域差分法研究了制备过程中相及组织的演化规律,微纳结构与宽谱广角光吸收性能及光能转换的内在关系。构建物理模型拟实揭示微纳结构与光功能特性间的耦合响应机制。在可见-近红外区域平均光吸收加强可较商用Bluetec膜增益102.63%,在中红外区域可加强54.9倍;红外光热转换效率可达30.56%,低发射比下的太阳光吸收比可达98%,低温工作区域内太阳能光热转化性能优异。而且在大入射角照射下,实现了可见光谱下仅 7.8%的反射率。有利于在光伏、光热等太阳能应用领域的全天候应用,获得包括 ScienceDaily, Nanowerk 等国内外 30 余家科技媒体的报道;针对复杂三维微纳光能增益构型,开展了针对双连续联通结构的前期研究,相关研究发表在Nature子刊《自然亚洲材料NPG Asia Materials》上;成功制备了具有 4.3kg/m2h光热蒸发率的光热蒸发膜与相关组件,该体系充分利用了宽波段光吸收的散射截面大、等离激元协同增强效应。上述研究为今后设计制备在宽谱广角下具有高效光吸收特性的光功能材料提供理论依据和实用途径,可为未来光热、光伏、光催化和光传感等领域的应用提供解决方案。

项目成果

期刊论文数量(41)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Multifunctional, angle dependent antireflection, and hydrophilic properties of SiO2 inspired by nano-scale structures of cicada wings
受蝉翼纳米级结构启发,SiO2 具有多功能、角度依赖性抗反射和亲水特性
  • DOI:
    10.1063/1.4986133
  • 发表时间:
    2017-10
  • 期刊:
    Applied Physics Letters
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Zada Imran;Zhang Wang;Sun Peng;Imtiaz Muhammad;Abbas Waseem;Zhang Di
  • 通讯作者:
    Zhang Di
Mapping thermal radiation in plasmonic structures
绘制等离子体结构中的热辐射图
  • DOI:
    10.1016/j.chemphys.2019.110423
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
    Chemical Physics
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Tian Junlong;Wen Yiyi;Wang Yiqing;Jia Xilin;Chen Lulu;Qiao Ruyi;Zhang Wang;Zhang Di;Zhong Jianxin
  • 通讯作者:
    Zhong Jianxin
Optical Performance Study of Gyroid-Structured TiO2 Photonic Crystals Replicated from Natural Templates Using a Sol-Gel Method
使用溶胶-凝胶法从天然模板复制螺旋结构 TiO2 光子晶体的光学性能研究
  • DOI:
    10.1002/adom.201800064
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Advanced Optical Materials
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Wu Liping;Wang Wanlin;Zhang Wang;Su Huilan;Gu Jiajun;Liu Qinglei;Zhang Di;Pantelic Dejan;Jelenkovic Branislav
  • 通讯作者:
    Jelenkovic Branislav
AgBr/diatomite for the efficient visible-light-driven photocatalytic degradation of Rhodamine B
AgBr/硅藻土用于高效可见光驱动的光催化降解罗丹明 B
  • DOI:
    10.1007/s11051-018-4151-4
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    JOURNAL OF NANOPARTICLE RESEARCH
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Fang Jing;Zhao Huamei;Liu Qinglei;Zhang Wang;Gu Jiajun;Su Yishi;Abbas Waseem;Su Huilan;You Zhengwei;Zhang Di
  • 通讯作者:
    Zhang Di
In situ synthesis of BiOCl nanosheets on three-dimensional hierarchical structures for efficient photocatalysis under visible light
原位合成三维分级结构 BiOCl 纳米片,实现可见光下的高效光催化
  • DOI:
    10.1039/c9nr02304f
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Yan Xudong;Zhao Huamei;Li Tengfei;Zhang Wang;Liu Qinglei;Yuan Yang;Huang Lujun;Yao Lulu;Yao Jiahao;Su Huilan;Su Yishi;Gu Jiajun;Zhang Di
  • 通讯作者:
    Zhang Di

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其他文献

含异型双夹杂三点弯曲梁动态断裂行为的实验研究(英文)
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    郭超
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    2016
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    岳中文;韩瑞杰;张旺;刘伟
  • 通讯作者:
    刘伟

其他文献

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张旺的其他基金

类昆虫三维管状结构气体敏感材料的仿生制备表征与模拟研究
  • 批准号:
    51202145
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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