CN109695966A - 一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统 - Google Patents

一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统，利用选择性吸光材料进行光热转换为催化剂、热电材料提供高温，所述的新型光热系统是将催化剂、或热电材料负载在选择性吸光材料表面，并在选择性吸光材料另一表面设置一层真空隔热层，在室外太阳光的照射下，选择性吸光材料将光能转换为热能，在一个标准太阳光的照射下，选择性吸光材料的温度可以达到300℃，这可以为催化剂和热电材料提供反应所需温度，从而有效代替由电等二次能源驱动的加热系统，大大减少了电能的消耗。本发明的方法具有环境友好，应用广泛等优点，非常适合于工业生产和实际应用。

Description

一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，涉及一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统。
背景技术
随着人口增长和工业发展，能源和环境成为目前人类面临的主要问题。催化是解决环境和能源问题的一大利器，已经广泛的应用于各种工业门类。但是很多工业催化普遍需要热激发，这会消耗巨大的电能和其它二次能源。如何降低工业热催化的能源消耗成为了现在产业界的一大难题。太阳能是一种可再生清洁能源，将太阳能转换为热能是人类最古老的利用太阳能的方式。所以，将太阳光转换为热能去驱动热催化是目前热催化二次能源替代领域的一个热点(光热催化)。例如，叶金花团队利用第八族的金属元素(Ru、Rh、Ni、Co、Pd、Pt、Ir和Fe)负载在Al2O3载体上，研究其在光热催化条件下将CO2还原为CH4。其中，Ru、Rh、Ni、Co和Pd表现出了高于90％的CO2转化率和对CH4的选择性，大大的优于传统的TiO2光催化剂。这样高的活性表现，得益于光热催化材料在整个太阳光谱中良好的光吸收，出色的光热效果，以及对H2的活化能力。
但是这一类的光热催化需要在10倍以上的标准太阳光能量密度(1KW·m-2)下进行(Angewandte Chemie 53(2014)11478-11482)。这是因为目前光热催化需要大于10个标准太阳光(≥10KW·m-2)的高能量密度光照，从而产生足够的温度(催化剂获得的温度≥200℃)去推动光热催化的发生。但是，在太阳能应用领域，较低太阳能密度(一般3KW·m-2以下)的聚焦可以用较为简单的光学聚焦系统，而产生大于10个太阳的高能量密度光照则需要较复杂的光学聚集系统。光学系统的复杂性也导致了系统操作维护的复杂性和费用的升高，不利于光热催化的工业化推广。因而如何在低能量密度太阳光照下让催化剂产生足够的高温是一个亟待解决的问题。
催化剂在光照下要获得高温，首先需要分析催化剂的热吸收和耗散。光热催化条件下，热量来源于太阳光的辐照。而热输出主要为两方面：热传导和热辐射。热传导可以通过增加隔热材料，真空隔热等方法来降低至很低的水平(催化剂在200℃下，热传导功率≤0.2KW·m-2(Energy&Environmental Science 7(2014)1615-1627))。但热辐射依赖于材料本身的性质。材料都具有固定的辐射率，目前所有的光热催化材料的辐射率都在0.95左右，类似于黑体材料。举例说明，如果光热催化材料加热到200℃的温度(如图1所示)，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，其热辐射的功率为2.26KW·m-2。即光热材料在200℃下，需要2.26KW·m-2的热输入才能维持辐射平衡。但标准太阳光的能量密度仅为1KW·m-2，所以一个太阳光下光热材料的热输入不足以维持光热催化材料处于200℃。目前统计的光热催化材料在标准太阳光下辐照温度为80℃左右(Advanced materials 29(2017))。高辐射率就是光热材料在弱太阳光下不能获得高温的主要原因。光热材料在标准太阳光下获得高温的首要因素是降低热辐射。但是目前为止，并没有改变光热材料热辐射性质的有效方法。综上所述，如何在标准太阳光或者弱太阳光下获得高温是光热领域的一个焦点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统，具体是使用选择性吸光材料吸收太阳光转换为热能，去驱动负载的催化剂进行催化或者负载的热电材料进行发电，选择性吸光材料能够将室外太阳光转换为200℃以上的热能，可以代替二次能源驱动加热的方法为催化剂、热电材料提供所需温度。
本发明的技术方案如下：
一种选择性吸光材料的新用途，是将催化剂或热电材料负载于选择性吸光材料上，所述的选择性吸光材料为太阳能选择性吸收涂层材料，作为载体为所负载的催化剂或热电材料提供热能用于催化或者发电。
上述技术方案中，所述的选择性吸光材料为具有95％以上的太阳光吸收率和10％以下的热辐射率的材料，如：渐变氮化铝-铝、钨-氮化铝、钼-氧化铝。
一种新型光热催化系统，包括催化剂、选择性吸光材料、和真空隔热层，真空隔热层位于选择性吸光材料一侧表面，催化剂设置于选择性吸光材料另一侧表面。所述的催化剂为WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、MnZrWO气凝胶或Ni掺杂Y2O3纳米片。
当所述的催化剂为WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、或MnZrWO气凝胶时，该新型光热催化系统用于光热氮氧化物还原。当所述的催化剂为Ni掺杂Y2O3纳米片时，该新型光热催化系统用于光热二氧化碳甲烷化。
一种新型光热发电系统，包括热电材料、选择性吸光材料、和真空隔热层，真空隔热层位于选择性吸光材料一侧表面，热电材料设置于选择性吸光材料另一侧表面。
本发明基于的原理如下：
用热辐射很低的吸光材料去吸收太阳光获得高温，然后将催化材料附着在其表面，这样高温可以传导到催化材料从而激发催化(如图2所示)。在太阳能领域的开发中，人们制备了一类特殊的材料：选择性吸光材料(Energy&Environmental Science 7(2014)1615-1627)。该材料可以吸收95％的太阳光，辐射率在10％以下，即该材料的热辐射是目前所有光热催化材料的1/10以下。举例说明：选择性吸光材料加热到200℃的温度，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，其热辐射的功率为0.21KW·m-2(如图2所示)，仅需要0.21KW·m-2的热输入就可以维持热辐射平衡。在低辐射的基础上，配合真空层技术将热传导率降低到0.2KW·m-2(如图2所示)。这样选择性吸光材料在200℃下的热耗散就是0.41KW·m-2。标准太阳光的功率密度为1KW·m-2，远远大于选择性吸光材料在200℃下的热输出，这样选择性吸光材料在标准太阳光辐照下就可以获得超过200℃的高温，符合本发明设计的新型光热系统中对于吸光材料的要求。如图2所示的光热系统为本发明中的新型光热系统。
所以本发明针对现有光热催化方法的不足和对理想能源的需求，提供了一种新的利用选择性吸光材料进行光热转换来给催化剂和热电材料提供反应所需温度的方法，该方法具有绿色清洁，成本低廉，适用范围广，取用方便等优点。
本发明所用的选择性吸光材料，具有95％以上的太阳光吸收率和10％以下的热辐射率，目前所选材料包括渐变氮化铝-铝，钨-氮化铝，钼-氧化铝等涂层材料。光热催化应用中在选择性吸光材料外加上全玻璃真空保温隔热层，可以有效减少热量散失，增加材料温度。
这是一种利用选择性吸光材料为催化剂提供反应温度的新方法。利用选择性吸光材料将光能转换为热能、产生高温，将催化剂负载在选择性吸光材料表面，选择性吸光材料为负载的催化剂提供高温，催化剂可以用来催化气体或者液体(如图2所示)。所述的催化剂包括WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、MnZrWO气凝胶、Ni掺杂Y2O3纳米片。其中WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、MnZrWO气凝胶用于光热氮氧化物还原，Ni掺杂Y2O3纳米片用于光热二氧化碳甲烷化。
本发明的催化剂负载方法如下：在选择性吸光材料外加上真空保隔热层，在室外太阳光下照射15min后，将用乙醇超声分散好的催化剂悬浊液均匀涂覆在真空隔热层表面选择性吸光材料上，待乙醇蒸发后，则催化剂均匀负载。
此外，基于同样的原理本发明还提供一种新型光热发电系统，利用选择性吸光材料为热电材料提供高温温差，将选择性吸光材料置于热电材料表面，选择性吸光材料另一表面制备真空隔热层，利用选择性吸光材料将光能转换为热能、产生高温，使热电材料获得表面高温，与内部常温产生高于200℃的温差，热电材料利用这种大温差来发电。
本发明的系统可以很好的应用于光热催化和光热电转换等领域。
本发明的有益效果是：
本发明利用太阳能选择性吸光材料直接给催化剂或热电材料提供所需温度，在标准太阳光下可以达到280℃以上高温，可适用于多种催化剂和热电材料，该方法可以有效减少催化剂和热电材料用量，降低成本，利用清洁可再生能源对环境友好，且取用方便，可完美取代二次能源电驱动加热装置，易于工业应用。
附图说明
图1光热材料在200摄氏度下的光吸收和热辐射示意图。
图2选择性吸光材料与真空罩(即真空隔热层)、光热催化剂结合的截面示意图和在200摄氏度下的光吸收和热辐射示意图。
图3为光热材料Ni/Y2O3的光吸收图谱。
图4为选择性吸光材料渐变AlNx/Al的光吸收图谱。
图5为光热材料Ni/Y2O3在不同光密度辐照下的温度图谱。标准太阳光下光热材料Ni/Y2O3温度为78℃。
图6为选择性吸光材料渐变AlNx/Al、光热材料Ni/Y2O3、真空玻璃罩组成图2所示系统后，光热材料Ni/Y2O3在不同光密度辐照下的温度图谱。标准太阳光下光热材料Ni/Y2O3温度为288℃，相较于图5的温度，提升了210℃。
图7所制备的二维WFeO催化剂SEM形貌。
图8为在运用新型光热系统的二维WFeO催化剂下，NOx转换率随光照变化图。
图9为新型光热系统在恒定光照下，NOx在二维WFeO催化剂表面的转换率随时间变化图。
图10为新型光热系统在室外太阳光照下，NOx在二维WFeO催化剂表面的转换率随时间变化图。
图11为新型光热系统在不同太阳光强照射下，Ni-Y2O3温度和CO2转换率图。
图12为新型光热系统在室外太阳光照下，CO2转换率随时间变化图。
具体实施例
结合具体实施例对本发明方法做进一步说明。
实施例1
负载高活性WFeO二维纳米片催化剂作NOx还原的应用：
(1)制备出高活性的WFeO二维纳米片催化剂。
(2)称取0.5g催化剂用10ml乙醇超声分散开。
(3)将附加全玻璃真空隔热层的选择性吸光材料在室外太阳光下照射15min。
(4)将超声分散好的催化剂悬浊液均匀涂覆到真空隔热层的选择性吸光材料上。
(5)待乙醇挥发完毕后，催化剂将均匀负载。
(6)进行催化测试，测量NOx转化效率。结果如图8-10所示。
实施例2
负载高活性Ni-Y2O3二维纳米片催化剂作CO2加氢甲烷化应用：
(1)制备出高活性的Ni-Y2O3二维纳米片催化剂。
(2)称取0.5g催化剂用10ml乙醇超声分散开。
(3)将附加全玻璃真空隔热层的选择性吸光材料在室外太阳光下照射15min。
(4)将超声分散好的催化剂悬浊液均匀涂覆到真空隔热层的选择性吸光材料上。
(5)待乙醇挥发完毕后，催化剂将均匀负载。
(6)进行催化测试，测量CO2转化效率。结果如图11-12所示。
本发明的技术方案中，所述的WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、MnZrWO气凝胶、Ni掺杂Y2O3纳米片可以采用如下方法制备，或其他任意可获得相应产物的方法；
WFeO纳米片制备方法如下：
首先，将氯化钨和氯化铁分散在乙醇中配制成均匀透明溶液，然后将该溶液缓缓倒入搅拌中的单分散石墨烯乙醇溶液(浓度可以为2mg/ml)，使W6+和Fe3+吸附在石墨烯表面。用乙醇洗去多余未吸附的离子后，将离心出的沉淀转移到去离子水中，并用超声的方法使得吸附了金属离子的石墨烯分散均匀。最后将该均匀分散液用液氮在短时间(5s以内)冷冻，并在真空冷冻干燥设备中干燥3天。干燥后的样品在空气下500℃焙烧以除去石墨烯模板，同时，金属离子矿化成二维纳米片状金属氧化物。
MnZrWO纳米片制备方法如下：
首先，将硝酸锰、硝酸锆和WCl6分散在100ml乙醇中配制成均匀透明溶液，然后将该溶液缓缓倒入搅拌中的单分散石墨烯乙醇溶液(浓度可为2mg/ml)，使Mn2+、Zr4+和W6+吸附在石墨烯表面。用乙醇洗去多余未吸附的离子后，将离心出的沉淀转移到去离子水中，并用超声的方法使得吸附了金属离子的石墨烯分散均匀。最后将该均匀分散液用液氮在短时间(5s以内)冷冻，并在真空冷冻干燥设备中干燥3天。干燥后的样品在空气下500℃焙烧以除去石墨烯模板，同时，金属离子矿化成二维纳米片状金属氧化物。
MnZrWO气凝胶制备方法如下：
将2g聚乙二醇(分子量1500)和2g一水柠檬酸加入到20ml乙醇中，密封后在50℃下加热搅拌至溶解。接着，再加入1.8g质量浓度为50％的硝酸锰溶液，并按比例加入硝酸锆和氯化钨溶液搅拌至溶解。将温度升至80℃并搅拌一段时间后，加入5ml环氧丙烷使溶液凝胶化。将制成的凝胶在60℃温度下密封老化2天，然后在马弗炉中450℃退火10h。
Ni掺杂Y2O3纳米片制备方法如下：
首先，将硝酸钇分散在去离子水中配制成均匀透明溶液，然后将该溶液缓缓倒入搅拌中的单分散石墨烯乙醇溶液(浓度可为2mg/ml)，使Y3+吸附在石墨烯表面。用去离子水洗去多余未吸附的离子后，再用超声的方法使得吸附了金属离子的石墨烯分散均匀。最后将该均匀分散液用液氮在短时间(5s以内)冷冻，并在真空冷冻干燥设备中干燥3天。干燥后的样品在空气下400℃焙烧4h以除去石墨烯模板，同时，金属离子矿化成Y2O3二维纳米片。将一定计量比的氯化镍配制成水溶液，然后加入200mg所制备的Y2O3二维纳米片,并超声分散均匀。该溶液在80℃下搅拌2小时后干燥，将粉末转移至马弗炉中400℃焙烧4h。最后将该粉末在10％H2/Ar流量环境下500℃退火1.5h，则Ni掺杂Y2O3纳米片制备成功。

Claims (9)

1.一种选择性吸光材料的新用途，其特征在于，将催化剂或热电材料负载于选择性吸光材料上，所述的选择性吸光材料为太阳能选择性吸收涂层材料，作为载体为所负载的催化剂或热电材料提供热能用于催化或者发电。
2.根据权利要求1所述的选择性吸光材料的新用途，其特征在于，所述的选择性吸光材料为具有95％以上的太阳光吸收率和10％以下的热辐射率的材料。
3.根据权利要求2所述的选择性吸光材料的新用途，其特征在于，所述的选择性吸光材料为渐变氮化铝-铝、钨-氮化铝、钼-氧化铝。
4.一种新型光热催化系统，其特征在于，包括催化剂、选择性吸光材料、和真空隔热层，真空隔热层位于选择性吸光材料一侧表面，催化剂设置于选择性吸光材料另一侧表面。
5.根据权利要求4所述的新型光热催化系统，其特征在于，所述的催化剂为WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、MnZrWO气凝胶或Ni掺杂Y2O3纳米片。
6.根据权利要求4所述的新型光热催化系统，其特征在于，所述的催化剂为WFeO纳米片、MnZrWO纳米片、或MnZrWO气凝胶时，该新型光热催化系统用于光热氮氧化物还原。
7.根据权利要求4所述的新型光热催化系统，其特征在于，所述的催化剂为Ni掺杂Y2O3纳米片时，该新型光热催化系统用于光热二氧化碳甲烷化。
8.如权利要求4-7任一项所述的新型光热催化系统的制备方法，其特征在于，包括如下：在选择性吸光材料外制备真空隔热层，置于室外太阳光下照射15min后，将用乙醇超声分散好的催化剂悬浊液均匀涂覆在选择性吸光材料上，待乙醇蒸发后，催化剂均匀负载。
9.一种新型光热发电系统，其特征在于，包括热电材料、选择性吸光材料、和真空隔热层，真空隔热层位于选择性吸光材料一侧表面，热电材料设置于选择性吸光材料另一侧表面。
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