CN115433007A - 一种太阳能光谱宽频吸收材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能光谱宽频吸收材料及其制备方法，所述太阳能光谱宽频吸收材料为钛锆酸铜钙陶瓷，化学表达式为CaCu3Ti4‑ xZrxO12，其中x=0或0.1，制备方法为太阳能光谱宽频吸收材料陶瓷预烧粉体的制备；太阳能光谱宽频吸收材料生坯样品的制备；太阳能光谱宽频吸收材料的高温烧结；CaCu3Ti4O12太阳光吸收率为0.80，红外发射率为0.71，在2.45 GHz微波条件下140 s，热平衡温度达到490℃以上；CaCu3Ti3.9Zr0.1O12太阳光吸收率和红外发射率分别为0.85，0.75，30倍太阳光功率辐照下5分钟热平衡温度达到230℃以上。

Description

一种太阳能光谱宽频吸收材料及其制备方法
技术领域
本发明属于光热陶瓷材料技术领域，具体涉及一种太阳能光谱宽频吸收材料及其制备方法。
背景技术
化石燃料的使用造成的环境污染日益严重，导致对可再生能源的迫切需要。太阳辐射能是一种天然能源，以其储量充裕、清洁性强而具有独特的优势，如今已被资源储备不足等问题所包围，太阳能的开发利用充分体现了可持续发展的理念。太阳能的利用模式较为多样化：光伏发电（PV）、聚光太阳能发电（CSP）、太阳能化学利用等。
在光热发电过程中，第一步是光热转换，这是通过光热转换材料实现的。理想的光热转换材料在太阳光谱内具有很强的吸收带（0.3-2.5 μm），并且对环境没有辐射损失。陶瓷由于其高熔点和良好的机械性能，被广泛用于高温光热工艺领域。高温光热转换陶瓷材料用作CSP系统中的高温吸收器近年来受到广泛关注。其中，碳化硅（SiC）蜂窝陶瓷由于其高太阳能吸收率（0.78）而被用作聚光太阳能发电系统的吸收体。然而，高发射率（0.8）使其不具备选择吸收特性而极大限制了其光热利用率。
微波能是自然界中的势能，它广泛用于食品加热，材料加工，化学合成和工业生产。如果微波能能够得到利用，就可以实现对太阳光谱更宽波段的利用。微波可以转化为热能，并且可以实现远距离无线能量传输，随着光谱的选择性吸收，可以实现宽光谱电磁波热转换材料。
钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12，CCTO）是一种复杂的钙钛矿氧化物，因其极高的介电常数（在室温下可以达到104以上，在100-400 K范围内几乎保持不变）而受到广泛关注。
发明内容
解决的技术问题：针对上述现有光热材料仅能将太阳光谱中可见光波段吸收转换为热能，光谱选择吸收性能不足，且未对其他波段进行有效利用的问题，为了解决这个问题，本发明提出了一种太阳能光谱宽频吸收材料及其制备方法，采用固相法进行样品制备，通过Zr离子部分替换Ti离子对CCTO的电子构型和光学性质进行掺杂调控，实现在可见-近红外波段范围高吸收、低发射的选择性吸收，同时在微波范围具有较高热响应，通过Zr掺杂改性，调节材料微观电子构型，进而调控材料光学性质，实现对太阳能可见光-近红外的选择性吸收及微波段的高效热响应，拓宽材料在太阳光谱的宽频光热利用。
技术方案：
一种太阳能光谱宽频吸收材料，所述太阳能光谱宽频吸收材料为钛锆酸铜钙陶瓷，化学表达式为CaCu3Ti4-xZrxO12，其中x=0或0.1。
进一步的，所述Ti元素由二氧化钛引入。
进一步的，所述Cu元素由氧化铜引入。
进一步的，所述Ca元素由碳酸钙引入。
进一步的，所述Zr元素由二氧化锆引入。
一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：太阳能光谱宽频吸收材料陶瓷预烧粉体的制备；
S2：太阳能光谱宽频吸收材料生坯样品的制备；
S3：太阳能光谱宽频吸收材料的高温烧结。
进一步的，所述步骤S1太阳能光谱宽频吸收材料陶瓷预烧粉的制备具体包括：
步骤S1.1：按CaCu3Ti4-xZrxO12中金属计量比Ca: Cu: Ti: Zr=1: 3: (4-x): x分别称取碳酸钙，氧化铜、二氧化钛及二氧化锆并混合，其中x=0或0.1，以无水乙醇为球磨介质，以200~400r/min的转速球磨6~9h；
步骤S1.2：经10目筛网滤过球磨珠，将粉末浆料置于50~100℃恒温鼓风干燥箱中烘干，随后将干燥粉体置于氧化铝坩埚，预烧温度为950℃，保温3~6h；
步骤S1.3：预烧结后的粉体经研磨，过筛，筛目选择200~300目，得到CaCu3Ti4- xZrxO12预烧粉体。
进一步的，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：在S1.3所述CaCu3Ti4-xZrxO12预烧粉体中加入4~10滴5wt.%聚乙烯醇水溶液，进行造粒并过筛；
步骤S2.2：将S2.1中造粒并过筛后粉体小球均匀倒入直径35 mm的圆柱模具中，随后将模具置于压片机中施加100~120MPa，保压1~3min脱模，得到CaCu3Ti4-xZrxO12生坯样品。
进一步的，所述步骤S3包括：将上述CaCu3Ti4-xZrxO12生坯样品置于高温电炉中，先以0.5~1℃/min升温速率升温至100℃，1~2℃/min升温速率升温至450℃保温3-6h；再以2℃/min升温速率升温至1000~1100℃，保温6~12h烧结，样品随炉冷却制得太阳能光谱宽频吸收材料。
有益效果：
1、本发明将碳酸钙，氧化铜，二氧化钛，二氧化锆四种金属化合物粉体按照一定比例进行混合，在300-2500nm波段获得了较为理想的选择性吸收/辐射特性，同时在微波段具有较强的热响应，实现了宽光谱热响应的波段范围。本发明太阳能光谱宽频吸收材料制备简单，其优异的紫外-可见-近红外高吸收和2.5-15μm红外低发射特性，及微波段较高效的热响应使其在日光照射能实现高效光—热，微波—热转换，为太阳能高效热利用材料的制备和应用提供新的技术途径。
2、CaCu3Ti4O12太阳光吸收率为0.80，红外发射率为0.71，在2.45 GHz微波条件下140 s热平衡温度达到490 ℃以上；CaCu3Ti3.9Zr0.1O12太阳光吸收率和红外发射率分别为0.85，0.75，30倍太阳光功率辐照下5分钟热平衡温度达到230 ℃以上。
附图说明
图1本申请300-2500 nm漫反射光谱图；
图2是本申请2.5-15 μm漫反射光谱图；
图3是本申请太阳光模拟30倍太阳光功率密度下随辐照时间温升图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种太阳能光谱宽频吸收材料，所述太阳能光谱宽频吸收材料为CCTO ，化学表达式为CaCu3Ti4O12。
一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按CaCu3Ti4O12金属计量比称取10.009g CaCO3、23.865g CuO、31.948g TiO2置于聚四氟乙烯球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，360r/min转速球磨6h；
S2：经10目筛网滤过球磨珠，将粉末浆料置于70℃恒温鼓风干燥箱中烘干，将粉体置于氧化铝坩埚，预烧温度为950℃，保温4h；
S3：预烧结后的粉体经研磨，过筛，筛目选择200目，得到CaCu3Ti4O12预烧粉体；
S4：称取质量6.5g的CaCu3Ti4O12预烧粉体，滴加8滴5wt.%聚乙烯醇水溶液混合，进行造粒并过筛；
S5：造粒后粉体小球均匀倒入直径35 mm的圆柱模具中，随后将模具置于压片机中施加108 MPa，保压2 min脱模，得到CaCu3Ti4O12生坯样品；
S6：将上述生坯样品置于高温电炉中，先以1℃/min升温速率升温至100℃，再以1.5℃/min升温速率升温至450℃保温4h；再以2℃/min升温速率升温至1050℃，保温10h烧结，样品随炉冷却。
实施例2
一种太阳能光谱宽频吸收材料，所述太阳能光谱宽频吸收材料为CCTZO-10，化学表达式为CaCu3Ti3.9Zr0.1O12。
一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按CaCu3Ti3.9Zr0.1O12金属计量比分别称取10.009g CaCO3、23.865g CuO、31.149g TiO2和1.232g ZrO2置于聚四氟乙烯球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，360r/min转速球磨6h；
S2：经10目筛网滤过球磨珠，将粉末浆料置于70℃恒温鼓风干燥箱中烘干，将粉体置于氧化铝坩埚，预烧温度为950℃，保温4h；
S3：预烧结后的粉体经研磨，过筛，筛目选择200目，得到CaCu3Ti3.9Zr0.1O12预烧粉体；
S4：称取质量6.5g的CaCu3Ti3.9Zr0.1O12预烧粉体，滴加8滴5wt.%聚乙烯醇水溶液混合，进行造粒并过筛；
S5：造粒后粉体小球均匀倒入直径35 mm的圆柱模具中，随后将模具置于压片机中施加108 MPa，保压2 min脱模，得到CaCu3Ti3.9Zr0.1O12生坯样品；
S6：将上述生坯样品置于高温电炉中，先以1℃/min升温速率升温至100℃，再以1.5℃/min升温速率升温至450℃保温4h；再以2℃/min升温速率升温至1050℃，保温10h烧结，样品随炉冷却。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能光谱宽频吸收材料，其特征在于：所述太阳能光谱宽频吸收材料为钛锆酸铜钙陶瓷，化学表达式为CaCu3Ti4-xZrxO12，其中x=0或0.1。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱宽频吸收材料，其特征在于：所述Ti元素由二氧化钛引入。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱宽频吸收材料，其特征在于：所述Cu元素由氧化铜引入。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱宽频吸收材料，其特征在于：所述Ca元素由碳酸钙引入。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱宽频吸收材料，其特征在于：所述Zr元素由二氧化锆引入。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：太阳能光谱宽频吸收材料陶瓷预烧粉体的制备；
S2：太阳能光谱宽频吸收材料生坯样品的制备；
S3：太阳能光谱宽频吸收材料的高温烧结。
7.根据权利要求6所述一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1太阳能光谱宽频吸收材料陶瓷预烧粉的制备具体包括：
步骤S1.1：按CaCu3Ti4-xZrxO12中金属计量比Ca: Cu: Ti: Zr=1: 3: (4-x): x分别称取碳酸钙，氧化铜、二氧化钛及二氧化锆并混合，其中x=0或0.1，以无水乙醇为球磨介质，以200~400r/min的转速球磨6~9h；
步骤S1.2：经10目筛网滤过球磨珠，将粉末浆料置于50~100℃恒温鼓风干燥箱中烘干，随后将干燥粉体置于氧化铝坩埚，预烧温度为950℃，保温3~6h；
步骤S1.3：预烧结后的粉体经研磨，过筛，筛目选择200~300目，得到CaCu3Ti4-xZrxO12预烧粉体。
8.根据权利要求6所述一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
步骤S2.1：在S1.3所述CaCu3Ti4-xZrxO12预烧粉体中加入4~10滴5wt.%聚乙烯醇水溶液，进行造粒并过筛；
步骤S2.2：将S2.1中造粒并过筛后粉体小球均匀倒入直径35 mm的圆柱模具中，随后将模具置于压片机中施加100~120MPa，保压1~3min脱模，得到CaCu3Ti4-xZrxO12生坯样品。
9.根据权利要求6所述一种太阳能光谱宽频吸收材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3包括：将上述CaCu3Ti4-xZrxO12生坯样品置于高温电炉中，先以0.5~1℃/min升温速率升温至100℃，1~2℃/min升温速率升温至450℃保温3-6h；再以2℃/min升温速率升温至1000~1100℃，保温6~12h烧结，样品随炉冷却制得太阳能光谱宽频吸收材料。
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CN115819084A (zh) * 2022-10-27 2023-03-21 南京工业大学 一种选择性吸收-辐射器材料及其制备方法

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