几种近红外光热转换材料的制备及性能

来源 :贵州师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zst_chengdu_xxxx
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当今社会,如何解决能源短缺问题成为了我们面临的最为严峻的挑战之一,而利用作为一种取之不尽的绿色清洁能源的太阳能成为解决能源短缺问题的一种可能。而如何充分的利用太阳能则成为节能降耗研究的重要课题之一,从而使得在新型太阳能材料的研究上方兴未艾。特别地,由于近红外光热转换材料具有能把太阳能中的近红外光转化成热能的特性从而引起了研究人员的广泛关注。为此,本论文选择CuS、LaB6和YB4等近红外光热转换材料作为研究对象,分别采用直接沉淀法合成金属离子掺杂CuS样品和低温固相法合成纯相的LaB6和YB4晶体。同时还采用X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)、扫描电镜(SEM)、980 nm激光器等多种技术对合成样品的物相结构、尺寸、形貌及光学性能等进行表征研究。并对制备工艺条件对所制备样品的物相结构与光学性能等的影响进行了研究,获得了部分有意义的研究成果。以硫脲((NH22CS)、氯化铜(CuCl2)、氯化亚锡(SnCl2)、硫酸镍(NiSO4)为原材料采用直接沉淀法制备金属离子掺杂CuS近红外光热转换材料。并分析铜和硫物质的量比、Sn2+的掺杂量、氢氧化钠的加入量、反应时间、Sn2+与Ni2+共掺杂的掺杂量、Sn2+与Ni2+共掺杂离子的物质的量比等合成条件对其性能的影响。研究结果表明所制备产物为纯相六方晶系CuS晶体,少量的金属离子掺杂并未对样品的晶体结构产生显著的影响。制备工艺条件直接影响着制备产物的光吸收性能,在反应体系铜与硫的物质的量比1:17、2 mol/L NaOH加入量为4 mL、Sn2+掺杂量5%、反应4 h等条件下可获得光吸收性能较优的Sn2+掺杂CuS样品,经钨丝灯模拟太阳光照射实验检测其光热转换效率为14.06%,是纯相未掺杂CuS样品的1.53倍。在反应体系Sn2+与Ni2+的总掺杂量为5%、Sn2+与Ni2+的物质量比为2:3条件下可得到性能较好的Sn2+与Ni2+共掺杂CuS样品,经980 nm激光照射实验检测其近红外光热转换效率为21.91%,而同等条件下单掺5%Sn2+的CuS样品的近红外光热转换材料为16.15%,Sn2+与Ni2+共掺杂CuS样品的光热转换效率是单掺5%Sn2+的CuS样品的1.36倍。采用低温固相法成功的制备了纯相立方结构的LaB6近红外光热转换材料。并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、980 nm激光器、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和扫描电镜(SEM)等对样品的物相结构和光学性能进行探究,并分析反应时间、反应温度、水的添加量等合成条件对样品光学性能的影响。研究结果表明,所制备样品为纯相立方结构的LaB6晶体,颗粒形貌呈多种形状,晶粒尺寸较小的颗粒呈球形或棒状及不规则形态,而尺寸较大的颗粒多是规则的立方体,其带隙能为2.47 eV。样品制备工艺条件直接影响着样品的光热转换性能,在反应温度为150°C、反应时间为2 h、水的添加量为3 mL时可获得近红外光热转换性能较优的样品,经980 nm激光照射实验检测计算得到其近红外光热转换效率为27.03%。通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、980 nm激光器、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)、扫描电镜(SEM)等对采用低温固相法合成的YB4材料的物相结构和光学性能进行探究,并分析反应时间、反应温度、水的添加量、硼与钇的物质量比等合成条件对样品光热转换性能的影响。研究结果表明,所制备样品为纯相P4/mbm正方晶系呈不规则团聚形貌YB4晶体。样品制备工艺条件直接影响着样品的光吸收性能,在反应温度为150°C、反应时间为2 h、水的添加量为3.5 mL、硼与钇的物质量比为4:1时可获得光吸收性能较优的YB4样品。所制备的YB4样品经980 nm激光进行光热转换实验结果表明其近红外光热转换效率为20.60%。以氧化镧(La2O3)、硼氢化钠(NaBH4)、氧化铒(Er2O3)、氧化镱(Yb2O3)为主要原材料,采用低温固相法成功的制备了Pm-3m立方相Yb3+、Er3+掺杂/共掺杂的LaB6近红外光热转换材料。研究结果表明:所合成样品为立方相LaB6晶体,少量掺杂并未对样品的晶体结构产生显著的影响。Yb3+掺杂量直接影响着制备Yb3+掺杂LaB6样品的光学性能,当其掺杂量为5%时所合成的样品具有较好的光吸收性能,经980 nm激光进行光热转换实验结果表明其近红外光热转换效率为25.53%。当Er3+的掺杂量为3%、改变Yb3+的掺杂量条件下所制备样品的光吸收性能随着Yb3+掺杂量的变化而变化。在3%Er3+和7%Yb3+共掺杂条件下所合成样品呈现出相对较优的光吸收性能,该制备样品经980 nm激光照射实验检测计算得到其近红外光热转换效率为29.34%,是5%Yb3+单掺LaB6样品的1.15倍,是未掺杂LaB6样品的1.09倍。
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