玻璃表面碳团簇包覆金属纳米颗粒复合电介质薄膜的可控制备与构效关系研究

Solar selective absorbers play the key role in the photo-thermal conversions. In the present proposal, we focus on the controllable preparation and structure-property relationship of the carbon cluster covered metal nanoparticle composite dielectric films for the requirements of concentrating solar power applications in the mid- and high-temperature ranges. A facile “one-step” method in the framework of sol-gel method and conformal carbonization is proposed, which is suitable for large-scale and low-cost preparation, to controllably prepare micro/nano structured films. The films are in a manner of embedded metal particles and light trapping structures coexisting as well as its thermal stability enhanced by the carbon composite dielectrics. An optical model will be established for the dielectric properties of micro/nano multi-scaled structured solar selective absorbers. The regulation mechanism of the microstructure and the influence of the content and distribution of nano metal particles upon the photo-thermal properties will be extensively investigated to obtain a high performance: absorptance >96% and emissivity <0.08, accelerating aging test >100h550oC. This work will provide an important material for concentrating solar power applications, and also very helpful for the study and design of the novel functional films driven by micro/nano structures.

太阳能选择性吸收薄膜是太阳能光热利用的核心材料。本项目针对太阳能聚光集热系统对中高温应用的需求，申请研究玻璃表面碳团簇包覆金属纳米颗粒复合电介质薄膜的可控制备与构效关系，创新地提出基于溶胶-凝胶技术和碳化工艺的“一步法”技术思路，同步实现金属纳米颗粒镶嵌和表面微米陷光结构协同增强光谱选择性、碳团簇包覆金属纳米颗粒复合电介质基体强化结构稳定性的目的。深入开展微纳结构诱导的薄膜光学理论设计和数值模拟，阐明金属纳米颗粒镶嵌与表面微米陷光结构的协同作用机制，揭示溶胶前驱体预分相与凝胶薄膜表面Marangoni效应诱导原位构筑薄膜微纳结构的调控原理，获得高光谱选择性吸收（单层膜α>92%，ε<0.08）和高环境耐受性（>100h550oC）的太阳能选择性吸收薄膜。本项目的实施将为太阳能聚光集热应用提供一种重要的高性能支撑材料，也为微观结构诱导的功能薄膜材料设计与研究提供理论和实践经验。

太阳能选择吸收薄膜是一种可以实现光热转换的功能薄膜材料，属于一种新型能源材料，能够为人类提供一种高效利用太阳能的方式。纳米金属陶瓷复合薄膜是目前应用最广泛的太阳能选择吸收薄膜，尽管其在光谱选择性、薄膜质量、基板结合力等方面表现优异，但其较差的高温稳定性却一直饱受诟病，愈发无法满足人们对中高温太阳能光热领域的使用需求。.本项目采用溶胶-凝胶法，结合配体交换、网络交联、诱导分相、Marangoni效应及真空退火等手段成功制备出一系列C-M-MOx复合多孔薄膜，并应用于太阳能选择吸收薄膜领域。深入探索了制备工艺、薄膜结构及其选择吸收性能、热稳定性能之间的相互联系，建立理论模型，充分理解复合薄膜的光谱表现机制。.以醋酸镍为前驱体，季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）为光聚合单体，硝酸和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为溶胶改性剂，采用光聚合诱导分相方法成功制备了C-Ni-NiO多孔复合薄膜。薄膜的NiO基体中镶嵌着金属镍颗粒，碳则以石墨纳米晶与无定形形式存在。通过调节PETA和硝酸含量实现薄膜孔径调节，优化了薄膜的光热性能，单层吸收薄膜的光热转换效率可达到74.9%；以钛酸四丁酯和醋酸镍为前驱体，采用光聚合诱导分相方法，成功制备了C-Ni-TiO2多孔复合薄膜。镍以金属镍和镍氧化物的形式镶嵌于TiO2基体中，改变前驱体凝胶化速率和溶胶网络与PETA的相溶性，从而实现薄膜内部体相孔的调节。薄膜吸收性能由金属镍颗粒、碳和多孔形貌提供，单层吸收薄膜的光热转换效率可达到85.2%；通过在初始溶胶中引入金属盐分相剂CuCl2引发Marangoni效应，复合薄膜表面由平整态转变成具有分层次多孔形态，且孔洞均分布均匀。在经历老化测试以后，复合薄膜的吸收率略有下降，辐射率略微上升，仍满足对太阳能选择吸收薄膜的热稳定性能的要求。经理论模型的计算，纳米金属复合及表面陷光结构均可以起到增强薄膜吸收率的效果，且纳米金属复合在薄膜膜厚较低时增益效果更佳。该结论为制备具有表面多孔结构的C-M-MOx复合薄膜提供了重要理论支持。