PIPS法制備多孔C/TiO_2納米復(fù)合薄膜及其太陽能選擇吸收性能研究

【摘要】：隨著能源和環(huán)境問題的加劇,開發(fā)新能源利用技術(shù)成為世界各國(guó)解決能源問題的主要突破口,而太陽能熱利用技術(shù)中的太陽能選擇性吸收薄膜的制備和研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文在較為全面的分析了國(guó)內(nèi)外選擇吸收膜研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,首次利用濕化學(xué)框架內(nèi)的光聚合誘導(dǎo)相分離方法在銅基板上一步制備出具有高太陽能吸收率(α0.95)和低熱發(fā)射率(ε0.1)的多孔C/Ti02復(fù)合薄膜。在此基礎(chǔ)上,探究了前驅(qū)體中硝酸、聚乙烯吡咯烷酮k30(PVP)以及光聚合單體PETA的濃度對(duì)多孔C/Ti02復(fù)合薄膜的表面形貌及光學(xué)性能的影響,并對(duì)其各自在薄膜制備過程中的作用進(jìn)行分析,從而確定了最優(yōu)的薄膜制備工藝參數(shù)。結(jié)果表明：(1)硝酸通過影響鈦酸四丁酯水解縮聚速度和光聚合反應(yīng)來調(diào)控復(fù)合薄膜表面形貌,最終對(duì)薄膜的光學(xué)性能產(chǎn)生影響。隨著硝酸濃度的降低,復(fù)合薄膜多孔結(jié)構(gòu)中大孔的平均孔徑尺寸、碳含量和薄膜厚度也隨之減小,從而導(dǎo)致薄膜選擇吸收性能的優(yōu)化。當(dāng)硝酸摩爾比為0.4時(shí),單層厚度為300nm的多孔C/TiO2復(fù)合薄膜的最優(yōu)吸收率和發(fā)射率分別為0.948和0.12,最佳的光熱轉(zhuǎn)換效率η為0.828。值得注意的是,薄膜具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性(～500℃)。(2)PVP在體系中作為溶膠修飾劑,能夠調(diào)節(jié)大孔平均孔徑尺寸、碳含量和薄膜厚度,但會(huì)抑制復(fù)合薄膜中碳的有序度。HRTEM結(jié)果顯示顆粒尺寸約為1.1nm的石墨晶鑲嵌在以無定形碳和非晶二氧化鈦氧化物為骨架的三維連通的大孔結(jié)構(gòu)中,并且從SEM結(jié)果可以看到隨著PVP濃度的減小,復(fù)合薄膜的平均孔徑尺寸和薄膜厚度均逐漸減小。不同PVP濃度下制備的單層膜表現(xiàn)出較高的太陽光吸收率(α=0.928-0.959)和較低的熱發(fā)射率(ε=0.074-0.105)。當(dāng)PVP濃度為4 wt.%時(shí),單層膜的光譜選擇吸收性能最優(yōu),最佳的光熱轉(zhuǎn)換效率η為0.864。(3)PETA作為體系中的光反應(yīng)單體,能夠直接影響光聚合反應(yīng)所形成高聚物的相對(duì)分子量。HRTEM結(jié)果表明殘留的二氧化鈦在多孔C/TiO2納米復(fù)合薄膜中均勻分布,不存在二氧化鈦富相,并且從SEM結(jié)果可以看到隨著PETA濃度的增加,復(fù)合薄膜中大孔的平均孔徑尺寸和薄膜厚度均逐漸增大。不同PETA濃度下制備的單層膜均表現(xiàn)出較高的太陽光吸收率(α=0.954-0.965)和較低的熱發(fā)射率(ε=0.06-0.12)。最優(yōu)的太陽光熱轉(zhuǎn)換效率是0.845-0.894,對(duì)應(yīng)的PETA摩爾比為0.3-0.9。利用最優(yōu)前驅(qū)體組分配比制備的兼具優(yōu)異光譜選擇吸收性能和良好環(huán)境耐受性的多孔C/TiO2復(fù)合薄膜幾乎滿足工業(yè)需求且具有較好的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：選擇吸收膜 多孔C/TiO_2復(fù)合薄膜 溶膠-凝膠法 光聚合分相
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 研究背景10
• 1.2 太陽能選擇性吸收膜10-17
• 1.2.1 太陽能選擇性吸收原理10-13
• 1.2.2 太陽能選擇性巧收膜的分類13-15
• 1.2.3 太陽能選擇性吸收膜制備方法15-17
• 1.3 太陽能選擇性吸收膜的研究進(jìn)展17-18
• 1.4 論文的選題意義和研究?jī)?nèi)容18-22
• 第二章 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試22-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料22-23
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備23
• 2.3 樣品制備23-27
• 2.3.1 襯底清洗23-24
• 2.3.2 配置溶膠24-26
• 2.3.3 制備薄膜26-27
• 2.4 材料的表征27-32
• 2.4.1 熱分析27
• 2.4.2 結(jié)構(gòu)表征27-28
• 2.4.3 成分分析28
• 2.4.4 形貌表征28-29
• 2.4.5 拉曼光譜分析29
• 2.4.6 光學(xué)性能表征29-32
• 第三章 硝酸濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)及性能影響32-44
• 3.1 硝酸濃度對(duì)多孔二氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)的影響32-33
• 3.2 硝酸濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜表面形貌的影響33-35
• 3.3 硝酸濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜斷面厚度的影響35-36
• 3.4 硝酸濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜選擇吸收性能的影響36-41
• 3.5 討論與小結(jié)41-44
• 第四章 PVP濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)及性能影響44-56
• 4.1 PVP濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜表面形貌的影響44-46
• 4.2 PVP濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜斷面厚度的影響46-48
• 4.3 PVP濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)的影響48-49
• 4.4 PVP濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜選擇吸收性能的影響49-51
• 4.5 討論與小結(jié)51-56
• 第五章 PETA濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)及性能影響56-64
• 5.1 PETA濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜表面形貌的影響56-58
• 5.2 PETA濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜斷面厚度的影響58
• 5.3 PETA濃度對(duì)多孔碳/二氧化鈦納米復(fù)合薄膜選擇吸收性能的影響58-60
• 5.4 討論與小結(jié)60-64
• 第六章 結(jié)論與展望64-68
• 6.1 主要結(jié)論64-66
• 6.2 不足與展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 致謝72-74
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷74-76
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和取得的其他研究成果76

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