碳基太阳能吸收材料的制备及其光热性能研究
发布时间：2020-09-29 18:56
太阳能水蒸发技术的规模应用,能够同时解决化石能源危机和淡水资源短缺两大难题,因而具有重要的研究意义。理想的太阳能水蒸发材料必须同时具有以下几方面特性:一是高效吸收太阳光;二是高效光热转换;三是亲水的多孔结构以利于水的输运。为了获得高效的太阳能光热水蒸发材料,我们制备了碳化萝卜、氧化锡锑(ATO)/C复合膜以及Ag@Ag_2S/C双层复合膜材料,对样品的相关性能进行了研究,结果如下:(1)将一种便宜且可大规模获得的农作物白萝卜进行碳化,制备出能够高效产生蒸汽的太阳能吸收材料。碳化萝卜具有高度发达的蜂窝状多孔结构和优异的亲水性能,其太阳能光吸收率在250-2500 nm光谱范围内高达93.5%。在单个太阳光强照射下,碳化萝卜的水蒸发速率可高达1.57 kg·m~(-2)·h~(-1),太阳能蒸汽产生效率可达到85.9%。对于不同类型的原水,包括海水和染料废水,蒸发处理后收集到的水样品均达到优异的处理性能。(2)以碳化的羧甲基纤维素作为可见光区吸收材料,以ATO粉末作为近外光吸收材料,利用冷冻铸造-冷冻干燥技术制备了具有定向多孔结构的ATO/C复合膜材料。当ATO/C比例为1:1.694时,ATO/C复合膜在250-2500 nm光谱范围内太阳能光吸收率均高达96%以上。且得到的ATO/C复合膜具有优异的亲水性能。ATO/C复合膜在一个太阳光强下的水蒸发速率为1.12 kg·m~(-2)·h~(-1),太阳能蒸汽产生效率为68.9%。对于不同类型的原水,包括海水和染料废水,蒸发处理后收集到的水样品均达到优异的处理性能。(3)以羧甲基纤维素为碳前驱体,以Ag@Ag_2S核壳结构的纳米颗粒作为增强近红外光吸收材料,利用冷冻铸造-冷冻干燥技术制备了具有定向多孔结构的Ag@Ag_2S/C双层复合结构。该复合结构在250-2500 nm光谱范围内太阳能光吸收率均高达89%以上,且具有优异的亲水性。Ag@Ag_2S/C双层复合材料在一个太阳光强下的水蒸发速率为1.34 kg·m~(-2)·h~(-1),太阳能蒸汽产生效率为81.5%。对于不同类型的原水,包括海水和染料废水,蒸发处理后收集到的水样品均达到优异的处理性能。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
青岛科技大学硕士研究生学位论文的光透射率和较低的光反射率，也就是说，在较宽的太阳光谱范围内具有较高的光吸收效率。理论上，光吸收材料的吸收率α≥0.9、红外热发射率ε≤0.2，即认为该材料具有很好的光谱选择性。但是，在光谱选择性吸收材料的实际应用中，吸收率α增大到一定值时，想要获得更大的吸收率，热发射率ε也会随之增加。所以，通常用吸收比α/ε来衡量选择性吸收材料的吸收性能。除具有波长选择性外，吸收材料和发射材料设计上的其他重要因素是极化和方向不敏感性，这取决于太阳辐射的性质，太阳辐射是非偏振的，并且可以在一天中以各种角度出现。理想的吸收材料应该能够承受高温运行而不会降低光吸收性能。对于太阳能热应用，通常需要高达 700℃的操作温度，要求材料轻微膨胀，且在合适的范围，这意味着理想的光吸收材料还应具有高熔点，低热膨胀性能，良好的温度稳定性以及良好的机械和化学稳定性[14]。
[14]。图 1-1 (a)理想吸收体的光谱图.在 1 300 K 下的太阳光谱（蓝色）和热黑体辐射（黑色）,并具有紫色虚线所示的理想太阳热选择性表面吸收光谱;(b)各种降低吸收效率的能量损失机理示意图[13]Fig. 1-1 (a) Ideal absorption spectrum diagram showing a solar spectrum (blue) and thermalblack body radiation (black) at 1300 K with an ideal solar thermal selective surface absorberspectrum shown by the purple dashed line;(b) Schematic of various mechanisms of energy loss,reducing absorber efficiency.1.2.2 光吸收材料的光热转换机理光吸收介质将太阳辐射转化成的热量，通常可以直接通过传热流体吸收，或者间接通过某种黑色吸收体的表面，热量从该吸收体表面收集并传导至传热流体(图 1-2)[15,16]。 热的产生过程包括吸收入射光子，以及从黑色吸收材料到周围介质的热传递。热散机制是光感应电场驱动材料晶体内的移动载体，载体获得的能量转化为热量。然后热量进行扩散而远离材料，最终使得光吸收材料周围介质的温度升高[17]。作为吸收层的材料有许多种
图 1-2 四分之一波长膜上的共振光陷阱[16]Fig. 1-2 Resonant light trapping in quarter-wave films无定形碳的制备过程简单且制造成本低。大多数的生物质可以通过真空烧结无定型碳，并且纯碳膜可以通过蒸发或溅射的方法获得。由 sp2和 sp3键合共成的无定形碳是不具有长程有序结晶的碳质固体，并且通常含有氢元素和氮。由于原子核外 π 电子的能级紧密排列，所以它具有良好的宽带光吸收能力。，由芳香键产生的稳定性使得碳材料在大气温度下几乎是惰性的，并且不溶和许多其他溶剂[18]。虽然在空气-介质界面处受到5-10％的中等反射的限制，由于 π 带的光学转换，常规的炭黑或石墨可以吸收可见光[19]。为克服在空气质界面处受到 5-10％的中等反射的限制，一个有效的方法是使用纳米结构，特定向垂直排列的碳纳米管或多孔石墨烯[20-24]，通过这种方式，大量的光学微间隔层两侧的反射面形成，通过共振再循环将光限制到小体积内，从而显著光与材料的相互作用[25]。等离子体激元共振是在金属结构上发生的独特的光学现象。金属表面等离激物理本质是费米能级附近导带上自由电子受外界电磁场的激发，形成的一种
本文编号：2830122
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
青岛科技大学硕士研究生学位论文的光透射率和较低的光反射率，也就是说，在较宽的太阳光谱范围内具有较高的光吸收效率。理论上，光吸收材料的吸收率α≥0.9、红外热发射率ε≤0.2，即认为该材料具有很好的光谱选择性。但是，在光谱选择性吸收材料的实际应用中，吸收率α增大到一定值时，想要获得更大的吸收率，热发射率ε也会随之增加。所以，通常用吸收比α/ε来衡量选择性吸收材料的吸收性能。除具有波长选择性外，吸收材料和发射材料设计上的其他重要因素是极化和方向不敏感性，这取决于太阳辐射的性质，太阳辐射是非偏振的，并且可以在一天中以各种角度出现。理想的吸收材料应该能够承受高温运行而不会降低光吸收性能。对于太阳能热应用，通常需要高达 700℃的操作温度，要求材料轻微膨胀，且在合适的范围，这意味着理想的光吸收材料还应具有高熔点，低热膨胀性能，良好的温度稳定性以及良好的机械和化学稳定性[14]。
[14]。图 1-1 (a)理想吸收体的光谱图.在 1 300 K 下的太阳光谱（蓝色）和热黑体辐射（黑色）,并具有紫色虚线所示的理想太阳热选择性表面吸收光谱;(b)各种降低吸收效率的能量损失机理示意图[13]Fig. 1-1 (a) Ideal absorption spectrum diagram showing a solar spectrum (blue) and thermalblack body radiation (black) at 1300 K with an ideal solar thermal selective surface absorberspectrum shown by the purple dashed line;(b) Schematic of various mechanisms of energy loss,reducing absorber efficiency.1.2.2 光吸收材料的光热转换机理光吸收介质将太阳辐射转化成的热量，通常可以直接通过传热流体吸收，或者间接通过某种黑色吸收体的表面，热量从该吸收体表面收集并传导至传热流体(图 1-2)[15,16]。 热的产生过程包括吸收入射光子，以及从黑色吸收材料到周围介质的热传递。热散机制是光感应电场驱动材料晶体内的移动载体，载体获得的能量转化为热量。然后热量进行扩散而远离材料，最终使得光吸收材料周围介质的温度升高[17]。作为吸收层的材料有许多种
图 1-2 四分之一波长膜上的共振光陷阱[16]Fig. 1-2 Resonant light trapping in quarter-wave films无定形碳的制备过程简单且制造成本低。大多数的生物质可以通过真空烧结无定型碳，并且纯碳膜可以通过蒸发或溅射的方法获得。由 sp2和 sp3键合共成的无定形碳是不具有长程有序结晶的碳质固体，并且通常含有氢元素和氮。由于原子核外 π 电子的能级紧密排列，所以它具有良好的宽带光吸收能力。，由芳香键产生的稳定性使得碳材料在大气温度下几乎是惰性的，并且不溶和许多其他溶剂[18]。虽然在空气-介质界面处受到5-10％的中等反射的限制，由于 π 带的光学转换，常规的炭黑或石墨可以吸收可见光[19]。为克服在空气质界面处受到 5-10％的中等反射的限制，一个有效的方法是使用纳米结构，特定向垂直排列的碳纳米管或多孔石墨烯[20-24]，通过这种方式，大量的光学微间隔层两侧的反射面形成，通过共振再循环将光限制到小体积内，从而显著光与材料的相互作用[25]。等离子体激元共振是在金属结构上发生的独特的光学现象。金属表面等离激物理本质是费米能级附近导带上自由电子受外界电磁场的激发，形成的一种
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 蒋茜;曾文霞;吴大雄;朱海涛;;Ag@Ag_2S核壳结构的制备及其光热性能研究[J];青岛科技大学学报(自然科学版);2017年06期
2 李柯;何凡能;;中国陆地太阳能资源开发潜力区域分析[J];地理科学进展;2010年09期
3 王峥;任毅;;我国太阳能资源的利用现状与产业发展[J];资源与产业;2010年02期
4 张建荣,高濂;纳米晶SnO_2粉体的合成[J];无机化学学报;2003年06期
本文编号：2830122
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