新型二維材料MXene Ti3C2Tx局部表面等離子體共振（LSPR）效應
強化太陽能吸收
二維過渡金屬碳（氮）化物（Mxene）是自2011年YuryGogotsi等發現碳化鈦（Ti3C2Tx）以來的一類新型的二維材料。因其具優異的高導電性、高導熱性、電磁波吸收能力等性能已被廣泛應用于電磁屏蔽、超級電容器、催化等各個領域。最近，MXene被證明具有超強光吸收能力，其太陽光譜響應范圍可擴展到近紅外（NIR）區域，在太陽能光熱儲能系統的中顯示出了巨大的應用前景。已有大量的研究報道了MXene的光熱轉換效應，然而對其作為光吸收劑的光熱轉化機理，人們尚缺乏深入了解。
近日，上海第二工業大學于偉教授團隊、武漢大學岳亞楠教授團隊利用刻蝕-剝離的方法制備了多層MXene（m-Ti3C2Tx）和類似石墨烯結構的二維薄層MXene（t-Ti3C2Tx）納米片，得到了具有超穩定膠體性質的Ti3C2Tx-H2O納米流體，并以此作為直接式太陽能集熱器（DASCs）的工作流體對其光熱轉換性能及機理進行了研究。結果表明：薄層Ti3C2Tx納米流體表現出了較高的光熱轉化性能，在質量分數為0.02%時，最大光熱轉化效率達到了91.9%。同時，建立了數值模型從微納尺度對其輻射能量的轉換進行探究，發現薄層MXene Ti3C2Tx的較強的局域表面等離子體共振(LSPR)效應強化了Ti3C2Tx-H2O納米流體光吸收性能。此外，耦合效應和Ti3C2Tx粒子的形狀在光熱吸收和轉換中也起著重要作用。光熱轉化機理如圖1 所示：
圖1 Ti3C2Tx-H2O光熱轉化機理圖
圖2 MXene Ti3C2Tx的制備過程示意圖
圖3 (a) Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx吸光度; （b)含Ti3AlC2、m-Ti3C2Tx和t-Ti3C2Tx質量分數為0.05wt%納米流體在808nm處放置15天透射率變化（插圖為t-Ti3C2Tx-H2O納米流體的丁達爾效應）
由圖3可知Ti3C2Tx -H2O具有較寬的光響應范圍可擴展到近紅外（NIR）區域且放置15天光透過率沒有增加，說明我們制備的Ti3C2Tx -H2O納米流體具加較高的穩定性并表現出膠體典型的丁達爾效應，突破了納米流體在太陽熱利用領域穩定性差易發生團聚沉淀的限制。
圖4 (a) 溫度平衡時熱成像；（b）光熱轉化效率；（c）含有相同質量分數(0.02wt%)不同納米顆粒的納米流體的光熱轉換效率比較
由圖4可知Ti3C2Tx -H2O具有較高的光熱轉化性能，當質量分數為0.02%的時，最大光熱轉化效率達到了91.9%，高于我們團隊之前制備的具有較好光熱轉化效果的光熱功材料。
圖5 (a) Ti3C2Tx仿真模型結構; (b)吸光度模擬結果; (c)薄層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻；（d）多層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻
圖5可以看出，薄層Ti3C2Tx的上表面光場增強貢獻最大達到3.1057，其增強貢獻比多層Ti3C2Tx高2倍 (Mmax = 1.5689)。即Ti3C2Tx的LSPR效應與他貴金屬納米粒子Au和Ag等一樣易受結構幾何參數的影響。薄層MXene Ti3C2Tx較好的光熱性能主要源于其較強的局域表面等離子體共振(LSPR)效應，可以通過降低厚度來提高LSPR效應。
以上成果發表在Solar
Energy Materials and Solar Cells上，上海第二工業大學工學部研究生王德兵和武漢大學研究生方宇欣為共同第一作者，上海第二工業大學工學部于偉教授、武漢大學岳亞楠教授為共同通訊作者。Significant
solar energy absorption of MXene Ti3C2Tx nanofluids via localized surface plasmon resonance, Solar Energy Materials
& Solar Cells 220 (2021) 110850,
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110850