PIPS法制备多孔C/TiO_2纳米复合薄膜及其太阳能选择吸收性能研究

【摘要】：随着能源和环境问题的加剧,开发新能源利用技术成为世界各国解决能源问题的主要突破口,而太阳能热利用技术中的太阳能选择性吸收薄膜的制备和研究成为人们关注的焦点。本文在较为全面的分析了国内外选择吸收膜研究现状的基础上,首次利用湿化学框架内的光聚合诱导相分离方法在铜基板上一步制备出具有高太阳能吸收率(α0.95)和低热发射率(ε0.1)的多孔C/Ti02复合薄膜。在此基础上,探究了前驱体中硝酸、聚乙烯吡咯烷酮k30(PVP)以及光聚合单体PETA的浓度对多孔C/Ti02复合薄膜的表面形貌及光学性能的影响,并对其各自在薄膜制备过程中的作用进行分析,从而确定了最优的薄膜制备工艺参数。结果表明：(1)硝酸通过影响钛酸四丁酯水解缩聚速度和光聚合反应来调控复合薄膜表面形貌,最终对薄膜的光学性能产生影响。随着硝酸浓度的降低,复合薄膜多孔结构中大孔的平均孔径尺寸、碳含量和薄膜厚度也随之减小,从而导致薄膜选择吸收性能的优化。当硝酸摩尔比为0.4时,单层厚度为300nm的多孔C/TiO2复合薄膜的最优吸收率和发射率分别为0.948和0.12,最佳的光热转换效率η为0.828。值得注意的是,薄膜具有良好的环境稳定性(～500℃)。(2)PVP在体系中作为溶胶修饰剂,能够调节大孔平均孔径尺寸、碳含量和薄膜厚度,但会抑制复合薄膜中碳的有序度。HRTEM结果显示颗粒尺寸约为1.1nm的石墨晶镶嵌在以无定形碳和非晶二氧化钛氧化物为骨架的三维连通的大孔结构中,并且从SEM结果可以看到随着PVP浓度的减小,复合薄膜的平均孔径尺寸和薄膜厚度均逐渐减小。不同PVP浓度下制备的单层膜表现出较高的太阳光吸收率(α=0.928-0.959)和较低的热发射率(ε=0.074-0.105)。当PVP浓度为4 wt.%时,单层膜的光谱选择吸收性能最优,最佳的光热转换效率η为0.864。(3)PETA作为体系中的光反应单体,能够直接影响光聚合反应所形成高聚物的相对分子量。HRTEM结果表明残留的二氧化钛在多孔C/TiO2纳米复合薄膜中均匀分布,不存在二氧化钛富相,并且从SEM结果可以看到随着PETA浓度的增加,复合薄膜中大孔的平均孔径尺寸和薄膜厚度均逐渐增大。不同PETA浓度下制备的单层膜均表现出较高的太阳光吸收率(α=0.954-0.965)和较低的热发射率(ε=0.06-0.12)。最优的太阳光热转换效率是0.845-0.894,对应的PETA摩尔比为0.3-0.9。利用最优前驱体组分配比制备的兼具优异光谱选择吸收性能和良好环境耐受性的多孔C/TiO2复合薄膜几乎满足工业需求且具有较好的应用前景。 【关键词】：选择吸收膜 多孔C/TiO_2复合薄膜 溶胶-凝胶法 光聚合分相
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景10
• 1.2 太阳能选择性吸收膜10-17
• 1.2.1 太阳能选择性吸收原理10-13
• 1.2.2 太阳能选择性巧收膜的分类13-15
• 1.2.3 太阳能选择性吸收膜制备方法15-17
• 1.3 太阳能选择性吸收膜的研究进展17-18
• 1.4 论文的选题意义和研究内容18-22
• 第二章 实验与测试22-32
• 2.1 实验原料22-23
• 2.2 实验设备23
• 2.3 样品制备23-27
• 2.3.1 衬底清洗23-24
• 2.3.2 配置溶胶24-26
• 2.3.3 制备薄膜26-27
• 2.4 材料的表征27-32
• 2.4.1 热分析27
• 2.4.2 结构表征27-28
• 2.4.3 成分分析28
• 2.4.4 形貌表征28-29
• 2.4.5 拉曼光谱分析29
• 2.4.6 光学性能表征29-32
• 第三章 硝酸浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜结构及性能影响32-44
• 3.1 硝酸浓度对多孔二氧化钛薄膜结构的影响32-33
• 3.2 硝酸浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜表面形貌的影响33-35
• 3.3 硝酸浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜断面厚度的影响35-36
• 3.4 硝酸浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜选择吸收性能的影响36-41
• 3.5 讨论与小结41-44
• 第四章 PVP浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜结构及性能影响44-56
• 4.1 PVP浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜表面形貌的影响44-46
• 4.2 PVP浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜断面厚度的影响46-48
• 4.3 PVP浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜结构的影响48-49
• 4.4 PVP浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜选择吸收性能的影响49-51
• 4.5 讨论与小结51-56
• 第五章 PETA浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜结构及性能影响56-64
• 5.1 PETA浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜表面形貌的影响56-58
• 5.2 PETA浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜断面厚度的影响58
• 5.3 PETA浓度对多孔碳/二氧化钛纳米复合薄膜选择吸收性能的影响58-60
• 5.4 讨论与小结60-64
• 第六章 结论与展望64-68
• 6.1 主要结论64-66
• 6.2 不足与展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 个人简历74-76
• 攻读学位期间发表的学术论文和取得的其他研究成果76

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