环境材料与生态化学研究发展中心知识库

    近些年，随着化石燃料的过度消耗、温室气体含量的增加、气候变化的日益加重，开发和利用可持续能源成为人们关注的焦点。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，广泛地应用在各种领域。其中，太阳能最直接的利用方式是太阳能光热转化利用，即利用太阳能集热器将太阳辐射的能量转化为热能。光谱选择性吸收涂层是太阳能集热器的核心部件，对集热器的集热效率产生重要的影响。这就要求太阳能吸收涂层在太阳光辐射范围内表现出较高的太阳能吸收值，在红外光谱范围内表现出较低的热发射值，即具有较高的光热转化效率。此外，在选择性吸收涂层的制备和实际应用中，还需要考虑涂层的生产成本、环境影响及涂层的热稳定性等一些问题。本论文在全面分析了国内外太阳能光谱选择性吸收涂层的基本类型及制备技术、在深入理解选择性吸收涂层的制备机理上，采用操作工艺简单、成本低廉、环境友好的涂料喷涂法和溶胶-凝胶浸涂法制备出尖晶石型陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。同时，为了满足太阳能吸光涂层与太阳能户外建筑在色彩上的协调一致，利用涂料喷涂法制备出了蓝色、绿色、棕褐色、墨绿色等尖晶石型陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。其主要研究结果如下：

    1、采用溶胶-凝胶自蔓延法合成了Cu_1.5Mn_1.5O₄和CuMn₂O₄尖晶石型陶瓷颜料。利用喷涂法制备得到Cu_1.5Mn_1.5O₄和CuMn₂O₄尖晶石型黑色陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。其中，Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石型陶瓷太阳能吸收涂层具有的太阳能吸收值：α_s=0.914-0.922、热发射值：ε₁₀₀=0.244-0.358；CuMn₂O₄尖晶石型陶瓷太阳能吸光涂层具有的太阳能吸收值：α_s=0.895-0.905、热发射值：ε₁₀₀=0.186-0.310。所有尖晶石型陶瓷涂层表现出良好的热稳定性（T≤300°C）、附着性及疏水性。

    2、采用溶胶-凝胶自蔓延法，在400 ℃的低温条件下合成了CoAl₂O（蓝色），CoCr₂O₄（绿色），CoFe₂O₄（棕褐色），CoMn₂O₄（墨绿色）尖晶石型陶瓷颜料。考察了陶瓷颜料煅烧温度对颜料晶型结构、晶体形貌、晶粒尺寸、色度值及光学性能的影响。研究结果表明：随着颜料煅烧温度的增加，颜料晶型结构趋于完整、晶粒尺寸增加，完整的晶型结构和较大的晶粒尺寸致使颜料获得较低的红外热发射值。采用喷涂法在金属铝基底上制备出CoAl₂O₄尖晶石型蓝色、CoCr₂O₄尖晶石型绿色、CoFe₂O₄尖晶石型棕褐色、CoMn₂O₄尖晶石型墨绿色陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。其中，CoAl₂O₄尖晶石型蓝色陶瓷涂层的太阳能吸收值：α_s=0.709-0.651、热发射值：ε₁₀₀=0.416-0.319；CoCr₂O₄尖晶石型绿色陶瓷涂层的太阳能吸收值：α_s=0.753-0.669、热发射值：ε₁₀₀=0.414-0.343；CoFe₂O₄尖晶石型棕褐色陶瓷涂层的太阳能吸收值：α_s=0.818-0.768、热发射值：ε₁₀₀=0.389-0.315；CoMn₂O₄尖晶石型墨绿色陶瓷涂层的太阳能吸收值：α_s=0.820-0.789、热发射值：ε₁₀₀=0.414-0.342。虽然这些彩色尖晶石型陶瓷太阳能吸收涂层表现出较低的光谱选择性，但它们可以作为“冷色”吸光涂层，满足太阳能户外应用对颜色的需求。

    3、乙醇溶液一次浸涂法在金属铝基底上制备出Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石型陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。研究了涂层煅烧温度、提拉速率对涂层化学成分、晶型结构、表面特征及光学性能的影响。研究结果表明：在450 ℃的条件下煅烧1h获得Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石结构。随着提拉速率的增加，涂层变厚、涂层表面粗糙度增加，致使涂层的太阳能吸收值增加。此外，涂层表面的锯齿结构及分布不均匀的孔隙，能有效地降低涂层在紫外光谱区的反射、延长涂层在可见/近红外光谱区的吸收，致使涂层太阳能吸收值增加。Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石型陶瓷太阳能吸收涂层的太阳能吸收值：α_s=0.876、热发射值：ε₁₀₀=0.057。尖晶石型陶瓷太阳能吸收涂层在中、低温区域（T≤300 ℃）表现出良好的热稳定性和附着性。

    4、采用水溶液一次浸涂法在不锈钢基底上制备出单层的Cu_1.5Mn_1.5O₄，CuMn₂O₄，CoCuMnO_x尖晶石型陶瓷太阳能光谱选择性吸收涂层。考察了前驱体浓度、煅烧温度、提拉速率对涂层化学成分、晶型结构、涂层厚度、表面结构及光学性能的影响。研究结果显示：在浓的前驱体溶液及较高的提拉速率条件下制备得到较厚的涂层，涂层厚度的增加有助于涂层获得较高的太阳能吸收值。涂层中尖晶石相的化学纯度越高，晶型结构越完整，涂层的光谱选择性吸收就越高。此外，涂层表面合适的粗糙度有助于涂层获得较高的太阳能吸收值。Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石型陶瓷涂层具有的太阳能吸收值：α_s=0.914、热发射值ε₁₀₀=0.125；CuMn₂O₄尖晶石型陶瓷涂层具有的太阳能吸收值：α_s=0.905、热发射值：ε₁₀₀=0.120；CoCuMnO_x尖晶石型陶瓷涂层具有的太阳能吸收值：α_s=0.876-0.888、热发射值：ε₁₀₀=0.123-0.130。所有尖晶石型陶瓷光谱选择性吸收涂层在中、低温区域（T≤300 ℃）表现出良好的热稳定性。