Light | 新方法：测量光与热之舞- 大数跨境

两江科技评论

2023-05-31

导读：光热转换是一种光与物质相互作用的基本物理过程，广泛存在于自然界和现代工业系统中

撰稿 | 课题组撰稿

光热转换是一种光与物质相互作用的基本物理过程，广泛存在于自然界和现代工业系统中，纳米材料的光热转换效率决定其在光热治疗、太阳能驱动水蒸发和光热催化等应用特性的关键参数。尽管已经有一些测量纳米晶溶液光热转换效率的方法，但是其准确性仍然存在争议。因此，发展简单、通用测量固体纳米材料光热转换效率的方法具有重要的意义。

近日，北京理工大学顾凯等人发展了一种电光等效测量固体材料光热转换效率的方法（PEE方法）。其利用了电加热和光加热等效的方法，即利用电加热温度上升过程来模拟材料在光照下的温度上升过程，在简化条件下，通过热平衡公式计算出材料的光热转换效率。该方法突破了前人方法对材料体系的限制，适用于纳米碳材料（石墨烯，碳纳米管），半导体纳米晶（硒化铅和金纳米棒）和聚合物（聚苯胺）体系，并且展现出良好的可重复性，为光热转换过程的研究和光热材料的开发提供了新方法。

PEE方法的装置包含电加热（Module I）和光加热（Module II）两个模块。在电加热模块中，样品被已知输入功率为P₀的电阻加热，利用红外热像仪监测其平均温度T_E的变化。根据热平衡方程，以及考虑所有散热途径（包括热传导、热对流和热辐射）的线性项，可以得出热平衡状态下P^*-H^*ΔT_E,max=0，其中H^*是电加热下样品的综合散热系数，P^*样品实际接收的热功率，P^*和P₀的关系与电阻形状相关。因此改变输入功率P₀，通过线性拟合可以得到斜率H^*。

在光加热模块中，样品被已知功率为I₀的激光加热，利用其平均温度T_L随时间变化的曲线，可以得出热平衡状态下I₀Aη-HΔT_L,max=0，其中A是样品的吸收率，η是光热转换效率，H是光加热下的散热系数。在此测试系统中电加热下的H与光加热下的H^*是等效的，可以推导出测试材料的光热转换效率η=H^*ΔT_L,max/I₀A。

研究者测量了多种材料的光热转换效率，测试误差小于5%，表明该方法具有良好的适用性和准确性。需要注意的是该测量方法不适用于在光照下发生化学变化的材料体系。

PEE方法的测试原理

论文信息

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“A general methodology to measure the light-to-heat conversion efficiency of solid materials”,Kai Gu为本文的第一作者，Haizheng Zhong为本文的通讯作者。

论文地址

‍https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-0‍1167-6

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