CN114958041A - 一种兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法及其应用，属于太阳能吸收技术领域。其通过纯钼和纯硅制备MoSi2粉体，与SiO2溶胶一并超声处理后形成浆液，随后将其涂覆于基板上，形成用于高温太阳能吸收的MoSi2‑SiO2涂层。本发明与目前的光谱选择性涂层相比MoSi2‑SiO2涂层在空气中具有更高的热稳定性，其制备过程的便利性和优异的热稳定性在太阳能高温吸收领域聚光太阳能发电(CSP)中具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法及其应 用，具体涉及一种通过溶胶-凝胶法制备具有SiO2减反射层的新型MoSi2-SiO2吸收涂层的方法，属于太阳能吸收技术领域。
背景技术
太阳能吸收涂层在聚光太阳能发电(CSP)系统中起着重要作用。近几十年 来，人们已经开发出具有高太阳能吸收率和低热辐射率的太阳能光谱选择性涂 层，实现了高太阳能热转换效率。这些涂层的光谱选择性吸收主要依赖于太阳 光谱范围和黑体辐射范围之间光谱响应的差异。黑体辐射的峰值向较短的波长 移动，当工作温度升高时，将导致黑体辐射波长覆盖范围和太阳光谱波长覆盖 范围出现较大重叠，因此，获得用于更高温度应用的光谱选择性吸收剂，可能 是一个巨大的挑战。
由于吸收器、HTF(传热流体)和热机的稳定性有限，目前CSP系统的工 作温度低于750℃，与太阳能吸收率相比，热辐射率在高浓度下对效率的影响可 以忽略不计。因此，探究具有高吸收率涂层的高温稳定性变得更有意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足，提供一种兼具减反射功能的高温太阳能吸 收涂层的制备方法及其应用，其制备过程的便利性和优异的热稳定性在太阳能 高温吸收领域具有实用价值。
本发明的技术方案，一种兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方 法，通过钼粉和硅粉制备MoSi2粉体，与SiO2溶胶混合后超声处理后形成浆液， 随后将其涂覆于基板上，形成兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2吸收涂 层。
进一步地，步骤如下：
(1)MoSi2粉体的制备：将钼粉和硅粉混合，加入油酸和球磨剂，通过球 磨得到MoSi2粉体；
(2)MoSi2-SiO2浆料的制备：取步骤(1)制备得到的MoSi2粉体与SiO2溶胶充分混合，超声处理得到均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料；
(3)涂装：取步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料旋涂于基板上，形成均匀的 湿涂层，干燥，重复1-3次得到MoSi2-SiO2复合层；在MoSi2-SiO2复合层上以 相同工艺再旋涂一层SiO2溶胶，即得到兼具减反射功能的高温太阳能 MoSi2-SiO2涂层。
进一步地，步骤(1)中所述钼粉和硅粉具体为质量比99.9％的纯钼和99.5％ 的纯硅。
进一步地，步骤(1)中，将钼粉和硅粉以摩尔比1～2:1～3混合，加入钼粉 和硅粉总质量5％～10％的油酸，再加入球磨剂镐珠，其中球磨剂和粉体重量比 为4～6：1，放入球磨机中进行球磨8～12h，即得到MoSi2粉体。
进一步地，步骤(2)中，所述SiO2溶胶具体按照正硅酸四乙酯TEOS：甲 基三乙氧基硅烷MTES：乙醇：去离子水的摩尔比为1～2：1～2：8～10：8～10配 置反应原料，随后加入反应物总质量0.5％～1％的乙酸作为催化剂，在密闭容器 中连续搅拌24h，充分水解反应后获得SiO2溶胶。
进一步地，步骤(2)中，将MoSi2粉体：SiO2溶胶按照质量比为1～2：2～5 的比例充分混合，40kHz超声处理30～60min，形成均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料。
进一步地，步骤(3)中，涂覆过程在旋涂机上进行，将步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料加载到机械抛光不锈钢基板的中心，然后立即以2800～3200r/s的速度旋转 30s，形成均匀的湿涂层；将湿涂层在95～105℃烘箱中干燥1～2h，重复两次得 到MoSi2-SiO2复合层。
进一步地，所述MoSi2-SiO2复合层的厚度为30-50μm。
进一步地，在MoSi2-SiO2复合层表面旋涂硅溶胶，其厚度为15-25μm。
所述方法制备得到的兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的应用，可将 其应用于太阳能高温吸收领域，在CSP系统中具有很好的实用价值。。
本发明通过溶胶-凝胶法制备了一种具有SiO2减反射层的新型MoSi2-SiO2吸收涂层。由于其在金属陶瓷中形成了SiO2阻挡层，可以防止涂层在850℃下 的进一步氧化。该吸收涂层表现出约95％的高吸收率，在太阳能集中比为C＝1000 的条件下，使用该吸收涂层的总效率可达63.5％；在850℃，超过了大多数光谱 选择性涂层。这些结果表明，基于MoSi2-SiO2的吸收涂层将是在高温太阳能热 转换系统中大规模部署的潜在候选者。
本发明提出了一种高温稳定性良好的太阳能吸收涂层的制备方法，在850℃ 下的空气中时具有更高的热稳定性，该涂层通过简便且可扩展的旋涂方法制备， 与CSP应用兼容。在高温退火过程中，在MoSi2-SiO2吸收涂层中产生的SiO2阻挡层使涂层具有稳定性，在850℃下吸收涂层表现出95％的高太阳能吸收率和 63.5％的总转换效率。该方法为制备高温空气稳定太阳能吸收涂层开辟了新的思 路，在太阳能市场中具有一定的潜在价值。
本发明的有益效果：本发明通过溶胶-凝胶法制备了一种具有SiO2减反射层 的新型MoSi2-SiO2基吸收涂层，可以用于CSP系统中。与目前的光谱选择性涂 层相比MoSi2-SiO2涂层在空气中具有更高的热稳定性，其制备过程的便利性和 优异的热稳定性在太阳能高温吸收领域具有实用价值。
附图说明
图1MoSi2-SiO2涂层在0.2-25μm内的反射光谱图。
图2MoSi2-SiO2涂层在850℃下的反射光谱图。
具体实施方式
实施例1
(1)MoSi2粉体的制备：以纯度为99.9％的纯钼和99.5％的纯硅粉末用作起 始材料；将钼粉和硅粉以摩尔比1:2进行混合，随后加入占粉末质量5％的油酸， 再加入球磨剂镐珠，一起装入不锈钢罐中；镐珠与粉末的重量比约为5:1，放入 球磨机中球磨10小时，制得MoSi2粉体；
(2)MoSi2-SiO2浆料的制备：
a、SiO2溶胶的制备：按照正硅酸四乙酯(TEOS)：甲基三乙氧基硅烷 (MTES)：乙醇：去离子水摩尔比为1:1:10:10混合，加入质量比0.5％的催化 剂乙酸进行水解反应，将上述混合物在密闭容器中连续搅拌24小时，即得SiO2溶胶；
b、浆料混合：将步骤(1)制备所得MoSi2粉末和SiO2溶胶按照质量比为 2：3的比例混合，在40kHz频率下超声处理30min形成均匀的黑色浆液，即 MoSi2-SiO2浆料；
(3)涂装处理：涂覆过程在旋涂机上进行，将一小滴步骤(2)制备得到 的黑色浆液加载到尺寸为30mm×30mm×1mm的机械抛光不锈钢基板的中心，然 后立即以3000r/s的速度旋转30秒，形成均匀的湿涂层；然后，将湿涂层在100℃ 烘箱中干燥1h。该过程重复两次以形成MoSi2-SiO2复合层；最后，减反射层采 用硅溶胶代替MoSi2-SiO2浆料，通过相同的工艺将其涂覆在复合层上，即得到 兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2涂层；
(4)表征与测试：采用日本岛津公司的UV-3600plus型紫外可见近红外 分光光度计测量涂层在紫外可见近红外区的反射率；采用德国布鲁克科技有限 公司的傅里叶变换反射红外光谱仪(配有A562-G/Q积分球)测量涂层在中远红 外区的反射率，通过转换得到吸收率数据。
制备得到的MoSi2-SiO2涂层在0.2-25μm波长范围内的反射光谱图如图1 所示，可以看出在此波长范围内反射率始终维持在较低的水平，通过计算得到 的吸收率为95.8％。Geng等采用溶胶凝胶-燃烧法制备CuCrxMn2-xO4太阳能吸收 功能粉体，其制得的涂层吸收率为92％～93％；于红超等采用溶胶-凝胶自蔓延燃 烧法制备CuCoMnOx功能粉体，所得太阳能吸收涂层的吸收率为93.6％。可以 看出，与现有的过渡金属氧化物太阳能吸收涂层相比，MoSi2-SiO2涂层具有较 为优异的光吸收性能。
制备得到的MoSi2-SiO2涂层在850℃下经过不同时间退火后的的反射光谱 图如图2所示。退火反射光谱的目的在于对MoSi2-SiO2涂层进行850℃下的热 稳定性测试，太阳光集中比C＝1000的太阳光谱(AM 1.5)和850℃的黑体辐射 光谱也作为参考。
在空气中退火10h后，由于MoSi2-SiO2浆料制备过程中产生的有机残留物 的分解和挥发，反射率在7-25μm的波长范围内略有上升；位于8.94μm和 20.58μm的显著峰分别归因于Si-O-Si的不对称拉伸和弯曲运动使其得到更好 的结晶度而变得尖锐。为了评估空气中850℃的长期稳定性，进一步将退火时间 延长至100h。反射光谱在100h退火后几乎没有变化，这表明MoSi2-SiO2涂层 在空气中850℃下具有很高的热稳定性。850℃时的太阳能吸收率和热辐射率在 退火后几乎保持不变。与其他高温吸收剂相比，实施例1制备所得涂层可以在 严格的退火条件下仍表现出较高的总转化效率。
实施例2
(1)MoSi2粉体的制备：将钼粉和硅粉以摩尔比1:3混合，加入钼粉和硅 粉总质量10％的油酸，再加入球磨剂镐珠，其中球磨剂和粉体重量比为4：1， 放入球磨机中进行球磨12h，即得到MoSi2粉体；所述钼粉和硅粉具体为质量比 99.9％的纯钼和99.5％的纯硅；
(2)MoSi2-SiO2浆料的制备：取步骤(1)制备得到的MoSi2粉体与SiO2溶胶充分混合，超声处理得到均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料；
所述SiO2溶胶具体按照正硅酸四乙酯TEOS：甲基三乙氧基硅烷MTES： 乙醇：去离子水的摩尔比为2：2：8：9配置反应原料，随后加入反应物总质 量1％的乙酸作为催化剂，在密闭容器中连续搅拌24h，充分水解反应后获得SiO2溶胶。
将MoSi2粉体：SiO2溶胶按照质量比为2：5的比例充分混合，40kHz超声 处理60min，形成均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料。
(3)涂装：取步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料旋涂于基板上，形成均匀的 湿涂层，干燥，重复1次得到MoSi2-SiO2复合层；在MoSi2-SiO2复合层上以相 同工艺再旋涂一层SiO2溶胶，即得到兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2涂层。
涂覆过程在旋涂机上进行，将步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料加载到机械抛 光不锈钢基板的中心，然后立即以2800r/s的速度旋转30s，形成均匀的湿涂层； 将湿涂层在95℃烘箱中干燥2h，重复两次得到MoSi2-SiO2复合层；所述 MoSi2-SiO2复合层的厚度为30μm；在MoSi2-SiO2复合层表面旋涂硅溶胶，其 厚度为15μm。
实施例3
(1)MoSi2粉体的制备：将钼粉和硅粉以摩尔比2:3混合，加入钼粉和硅 粉总质量7％的油酸，再加入球磨剂镐珠，其中球磨剂和粉体重量比为6：1，放 入球磨机中进行球磨8h，即得到MoSi2粉体；所述钼粉和硅粉具体为质量比 99.9％的纯钼和99.5％的纯硅；
(2)MoSi2-SiO2浆料的制备：取步骤(1)制备得到的MoSi2粉体与SiO2溶胶充分混合，超声处理得到均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料；
所述SiO2溶胶具体按照正硅酸四乙酯TEOS：甲基三乙氧基硅烷MTES： 乙醇：去离子水的摩尔比为2：1：9：10配置反应原料，随后加入反应物总质 量0.8％的乙酸作为催化剂，在密闭容器中连续搅拌24h，充分水解反应后获得 SiO2溶胶。
将MoSi2粉体：SiO2溶胶按照质量比为1：5的比例充分混合，40kHz超声 处理30min，形成均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料。
(3)涂装：取步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料旋涂于基板上，形成均匀的 湿涂层，干燥，重复3次得到MoSi2-SiO2复合层；在MoSi2-SiO2复合层上以相 同工艺再旋涂一层SiO2溶胶，即得到兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2涂层。
涂覆过程在旋涂机上进行，将步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料加载到机械抛 光不锈钢基板的中心，然后立即以3200r/s的速度旋转30s，形成均匀的湿涂层； 将湿涂层在105℃烘箱中干燥1h，重复两次得到MoSi2-SiO2复合层；所述 MoSi2-SiO2复合层的厚度为50μm；在MoSi2-SiO2复合层表面旋涂硅溶胶，其 厚度为25μm。
本发明通过溶胶-凝胶法制备了一种具有SiO2减反射层的新型MoSi2-SiO2基吸收涂层，可以用于CSP系统中。通过在0.2-25μm波长范围内的半球反射 光谱研究涂层的光谱特性。吸收剂在退火前表现出95％的高吸收率，在850℃ 的空气中退火100h后仍显示出94.6％的高吸收率。与现有的太阳能选择性吸收 涂层相比，MoSi2-SiO2基吸收涂层具有更高的热稳定性，其制备过程的便利性和 优异的吸收性性能使其在太阳能高温吸收领域具有实用价值。
Claims (10)
1.一种兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：通过钼粉和硅粉制备MoSi2粉体，与SiO2溶胶混合后超声处理后形成浆液，随后将其涂覆于基板上，形成兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2吸收涂层。
2.如权利要求1所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是步骤如下：
(1)MoSi2粉体的制备：将钼粉和硅粉混合，加入油酸和球磨剂，通过球磨得到MoSi2粉体；
(2)MoSi2-SiO2浆料的制备：取步骤(1)制备得到的MoSi2粉体与SiO2溶胶充分混合，超声处理得到均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料；
(3)涂装：取步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料旋涂于基板上，形成均匀的湿涂层，干燥，重复1-3次得到MoSi2-SiO2复合层；在MoSi2-SiO2复合层上以相同工艺再旋涂一层SiO2溶胶，即得到兼具减反射功能的高温太阳能MoSi2-SiO2吸收涂层。
3.如权利要求2所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述钼粉和硅粉具体为质量比99.9％的纯钼和99.5％的纯硅。
4.如权利要求2所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：步骤(1)中，将钼粉和硅粉以摩尔比1～2:1～3混合，加入钼粉和硅粉总质量5％～10％的油酸，再加入球磨剂镐珠，其中球磨剂和粉体重量比为4～6：1，放入球磨机中进行球磨8～12h，即得到MoSi2粉体。
5.如权利要求2所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：步骤(2)中，所述SiO2溶胶具体按照正硅酸四乙酯TEOS：甲基三乙氧基硅烷MTES：乙醇：去离子水的摩尔比为1～2：1～2：8～10：8～10配置反应原料，随后加入反应物总质量0.5％～1％的乙酸作为催化剂，在密闭容器中连续搅拌24h，充分水解反应后获得SiO2溶胶。
6.如权利要求2所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：步骤(2)中，将MoSi2粉体：SiO2溶胶按照质量比为1～2：2～5的比例充分混合，40kHz超声处理30～60min，形成均匀的黑色浆液，即MoSi2-SiO2浆料。
7.如权利要求2所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：步骤(3)中，涂覆过程在旋涂机上进行，将步骤(2)所得MoSi2-SiO2浆料加载到机械抛光不锈钢基板的中心，然后立即以2800～3200r/s的速度旋转30s，形成均匀的湿涂层；将湿涂层在95～105℃烘箱中干燥1～2h，重复两次得到MoSi2-SiO2复合层。
8.如权利要求7所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：所述MoSi2-SiO2复合层的厚度为30-50μm。
9.如权利要求7所述兼具减反射功能的高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征是：在MoSi2-SiO2复合层表面旋涂硅溶胶，其厚度为15-25μm。
10.权利要求1～9之一所述方法制备得到的用于高温太阳能吸收的吸收涂层的应用，其特征是：将其应用于CSP系统中。
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| YIJIE LIU 等: ""High-temperature air-stable solar absorbing coatings based on the cermet of MoSi2 embedded in SiO2"", 《SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS》 * |
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