CN107418522A - 一种太阳能吸收液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能吸收液及其制备方法，该吸收液由纳米级石墨烯片和含介电层的三层核‑壳结构纳米粒子组成，基液为水、硅油等工质流体。本发明通过在吸收液中制备石墨烯包覆含介电层的三层核‑壳结构纳米粒子，使得相同质量浓度的所述吸收液的透射率降低程度是单一石墨烯吸收液的3倍以上，提高了太阳能体接收器中吸收液的太阳能吸收性能。该太阳能吸收液采用全溶液合成方法，避免了传统纳米粒子制备时所用的高能耗球磨机、高能耗高温锻烧炉，降低了能耗，并且全溶液合成工序加工方便、操作简单、使用简便。

Description

一种太阳能吸收液及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能吸收液及其制备方法，属于太阳能利用领域。
背景技术
在太阳能利用的各种技术中，太阳热转换被认为是最直接和有希望的方法，通常被称为聚光太阳能(CSP)。在CSP***中，太阳能集热器将来自冷凝镜的阳光转换成热能，替代来自燃烧的热量，然后使用工作流体将热量传输到涡轮机用于电力生产。传统的太阳能集热器是一种基于表面的接收器，其以高吸收表面捕获太阳能。太阳辐射被表面吸收，然后通过对流和传导转移成热量。因此，吸收表面通常具有高温，这导致显着的辐射热损失(∝T4)，并且因此降低太阳能的热转换效率，特别是对于涉及集中的太阳能收集器的应用。
为了减少高温下的热损失，Abdelrahman等人在20世纪70年代提出了一种黑液收集器，它也被称为体积式太阳能集热器。与基于表面的太阳能热收集器相反，太阳能被黑液收集器中的工作流体直接吸收。由于在体积太阳能接收器中不存在高度吸收的表面，表面温度远低于基于表面的太阳能集热器的表面温度，使得可以减少辐射热损失。此外，由于从热吸收表面到工作流体的热阻被消除，总热阻降低。所以体吸收液是一种用于太阳能收集器的重要工作流体，其具有良好的太阳能吸收性能。
现有体吸收液选择的一般是各种颗粒状的陶瓷或金属材料，但是随着片状石墨烯的发现给我们提供了另一可能。尽管国内外研究了石墨烯的许多性能，但石墨烯的光吸收不好，吸收液性能不佳。而金属存在局部表面等离激元共振，使附近电场显著增强，能量被束缚在结构周围，从而提高吸收液的吸收性能。其中，对比文献1(Jing Li and Chun-yanLiu.Ag/Graphene Heterostructures:Synthesis,Characterization and OpticalProperties[J],Eur.J.Inorg.Chem.2010,1244–1248)研究了Ag纳米颗粒和石墨烯载体之间的相互作用以及Ag纳米颗粒在石墨烯上溶液的吸收光谱，但是效果一般。对比文献2(Tessy Theres Baby and Sundara Ramaprabhu，Synthesis and nanofluid applicationof silver nanoparticles decorated graphene[J]，Journal of Materials Chemistry,2011,21,9702-9709)研究了氧化石墨烯与银纳米粒装饰的石墨烯溶液的吸收光谱。对比文献3(段慧玲等，等离激元纳米流体的光热特性研究[J]，中国科学:技术科学2014年,第44卷,第8期:833-838)研究了TiO2和TiO2/Ag复合纳米粒子的紫外可见漫反射光谱特性，但是等离激元纳米流体的光热转换性能还有待进一步增强。
发明内容
本发明公开了一种太阳能吸收液及其制备方法，解决了传统的体收液吸收性能低，以及现有石墨烯吸收液的太阳能吸收性能不佳的问题。通过在太阳能吸收液中制备石墨烯包覆含介电层的三层核壳结构纳米粒子，发现相同质量浓度的所述吸收液的透射率降低程度是单一石墨烯吸收液的3倍以上，这在太阳能光热利用领域有巨大的应用前景。
本发明的技术方案是：一种太阳能吸收液，该吸收液由纳米粒子功能材料层和基液组成，其中纳米粒子由含介电层的核-壳粒子嵌入石墨烯纳米片构成。
进一步的，含介电层的核-壳粒子为三层结构，介电层的内侧是包覆的锡球形颗粒，外侧为相嵌的银纳米粒子。
进一步的，介电层的材料为二氧化硅和二氧化钛中的一种。
上述太阳能吸收液的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备介电层包覆锡粒子混合溶液；
步骤2，制备含介电层的三层核-壳结构纳米粒子，
步骤3，将步骤2中制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子与石墨烯按质量比为0.5:1至2.5:1混合，按浓度范围为0.1-0.6g/L分散于基液中并加入表面稳定剂超声1h后，制成太阳能吸收液。
进一步的，步骤1中，制备介电层包覆锡粒子混合溶液，具体步骤为：
步骤1.1，依次将SnCl2和NaBH4按摩尔比为1:16至1:15加入PVP溶液中在70℃下磁力搅拌，2h后停止加热冷却至室温；
步骤1.2，用乙醇多次清洗并离心得到锡纳米颗粒后分散到乙醇中超声；
步骤1.3，然后磁力搅拌并逐滴加入TEOS，1h后逐滴加入浓氨水后搅拌12h，用乙醇清洗，制得介电层包覆锡粒子混合溶液。
其中，步骤1.1中，PVP与NaBH4质量比为1:1；步骤1.3中，TEOS与浓氨水的体积比为1:25。
进一步的，步骤2中，具体步骤为：
步骤2.1，取SnCl2溶液，加入盐酸直至pH值在5.6-6.5；将步骤1中制备的介电层包覆锡粒子混合溶液加入该溶液中；
步骤2.2，经多次用去离子水清洗后，在频率为80KHz超声条件下与银氨溶液进行反应10min；
步骤2.3，用去离子水多次清洗后，将清洗后粒子溶于有机溶剂中，加入甲醛和银氨溶液，保持60℃磁力搅拌24h，清洗后制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子；
其中，所使用的银氨溶液均为新制备的银氨溶液，步骤2.3中，甲醛和银氨溶液的体积比为1:100至1:120，所述的有机溶剂为乙醇。
步骤3中，基液为水、硅油等工质流体，表面稳定剂为十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮，石墨烯为用水合肼还原改进Hummers法制得氧化石墨烯得到的。
与现有技术相比，本发明相具有显著优点为：
1.本发明在石墨烯吸收液中加入三层核壳粒子后提高石墨烯吸收液吸收性能，通过等离子激元效应，从而强化吸收液的吸收性能。同质量浓度的所述吸收液的透射率降低程度是单一石墨烯吸收液的3倍以上，具有显著的性能提高效果。
2.该太阳能吸收液采用全溶液合成方法，避免了传统纳米粒子制备时所用的高能耗球磨机、高能耗高温锻烧炉，降低了能耗，并且全溶液合成工序加工方便、操作简单、使用简便。
3.含介电层的三层核-壳粒子嵌入石墨烯片，由于石墨烯片在吸收液中形成较大的表面张力，增强了基液中纳米粒子的稳定性。
附图说明
图1是本发明太阳能吸收液制备方法流程图。
图2是本发明太阳能吸收液中氧化石墨烯和石墨烯的拉曼光谱图。
图3是不同质量浓度下各吸收液的透射率的降低程度。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步描述。
采用层层包覆方法制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子，然后采用改进的Hummers法制得氧化石墨烯后还原氧化石墨烯以得到石墨烯。后通过超声混合这两者以得到充分混合均匀太阳能吸收液。其制备流程如图1所示。
实施例1
1.依次将5.3*10-3mol SnCl2溶于10mL TEG的溶液和0.08mol NaBH4溶于40mL TEG的溶液加入3g PVP溶于50mL TEG的溶液中磁力搅拌，90分钟停止加热冷却至室温。用乙醇清洗多次并离心得到锡纳米颗粒后分散到乙醇中超声。然后磁力搅拌并逐滴加入20滴TEOS，约1h后逐滴加入25mL浓氨水后搅拌12h。用乙醇清洗备用。
2.取2.6*10-3mol SnCl2溶液，加入盐酸直至pH值在5.6-6.5；将步骤1中制备混合溶液加入该溶液中，后多次用去离子水清洗；在频率为80KHz超声条件下与40mL新制银氨溶液进行反应10分钟；用去离子水多次清洗后，将清洗后粒子溶于有机溶剂(乙醇)中，加入一滴甲醛和6mL银氨溶液，保持60℃磁力搅拌24h。清洗后制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子；
3.称取0.01g步骤2中的粒子和0.02g石墨烯粉末，将其溶于100mL去离子水中并加入表面稳定剂超声1h后，制成太阳能吸收液。从图3中可以看出浓度为0.2g/L石墨烯中添加0.1g/L含介电层的三层核-壳结构纳米粒子流体的透射率的降低程度为45％，是相同浓度石墨烯的2.5倍，这显然可以大大增强太阳能吸收。
实施例2
1.依次将5.3*10-3mol SnCl2溶于10mL TEG的溶液和0.08mol NaBH4溶于40mLTEG的溶液加入3g PVP溶于50mL TEG的溶液中磁力搅拌，90分钟停止加热冷却至室温。用乙醇清洗多次并离心得到锡纳米颗粒后分散到乙醇中超声。然后磁力搅拌并逐滴加入20滴TEOS，约1h后逐滴加入25mL浓氨水后搅拌12h。用乙醇清洗备用。
2.取2.6*10-3mol SnCl2溶液，加入盐酸直至pH值在5.6-6.5；将步骤1中制备混合溶液加入该溶液中，后多次用去离子水清洗；在频率为80KHz超声条件下与40mL新制银氨溶液进行反应10分钟；用去离子水多次清洗后，将清洗后粒子溶于有机溶剂(乙醇)中，加入一滴甲醛和6mL银氨溶液，保持60℃磁力搅拌24h。清洗后制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子；
3.称取0.03g步骤2中的粒子和0.02g步骤4中的粉末，将其溶于100mL硅油中并加入表面稳定剂超声1h后，制成太阳能吸收液。从图3中可以看出浓度为石墨烯中添加0.3g/L含介电层的三层核-壳结构纳米粒子流体的透射率的降低程度为80％，是相同浓度石墨烯的4倍，这显然可以大大增强太阳能吸收。
实施例3
1.依次将5.3*10-3mol SnCl2溶于10mL TEG的溶液和0.08mol NaBH4溶于40mLTEG的溶液加入3g PVP溶于50mL TEG的溶液中磁力搅拌，90分钟停止加热冷却至室温。用乙醇清洗多次并离心得到锡纳米颗粒后分散到乙醇中超声。然后磁力搅拌并逐滴加入20滴TEOS，约1h后逐滴加入25mL浓氨水后搅拌12h。用乙醇清洗备用。
2.取2.6*10-3mol SnCl2溶液，加入盐酸直至pH值在5.6-6.5；将步骤1中制备混合溶液加入该溶液中，后多次用去离子水清洗；在频率为80KHz超声条件下与40mL新制银氨溶液进行反应10分钟；用去离子水多次清洗后，将清洗后粒子溶于有机溶剂(乙醇)中，加入一滴甲醛和6mL银氨溶液，保持60℃磁力搅拌24h。清洗后制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子；
称取0.05g步骤2中的粒子和0.02g步骤4中的粉末，将其溶于100mL去离子水中并加入表面稳定剂超声1h后，制成太阳能吸收液。从图3中可以看出石墨烯中添加0.5g/L含介电层的三层核-壳结构纳米粒子流体的透射率的降低程度达到90％，是相同浓度石墨烯的4.5倍。

Claims (9)

1.一种太阳能吸收液，其特征在于，该吸收液由纳米粒子功能材料层和基液组成，其中纳米粒子由含介电层的核-壳粒子嵌入石墨烯纳米片构成。
2.如权利要求1所述的太阳能吸收液，其特征在于：所述的含介电层的核-壳粒子为三层结构，介电层的内侧是包覆的锡球形颗粒，外侧为相嵌的银纳米粒子。
3.如权利要求2所述的太阳能吸收液，其特征在于：所述介电层的材料为二氧化硅和二氧化钛中的一种。
4.一种基于权利要求1-3所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：
步骤1，制备介电层包覆锡粒子混合溶液；
步骤2，制备含介电层的三层核-壳结构纳米粒子；
步骤3，将步骤2中制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子与石墨烯按质量比为0.5:1至2.5:1混合，按浓度范围为0.1-0.6g/L分散于基液中并加入表面稳定剂超声1h后，制成太阳能吸收液。
5.如权利要求4所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：步骤1中，制备介电层包覆锡粒子混合溶液，具体步骤为：
步骤1.1，依次将SnCl2和NaBH4按摩尔比为1:16至1:15加入PVP溶液中在70℃下磁力搅拌，2h后停止加热冷却至室温；
步骤1.2，用乙醇多次清洗并离心得到锡纳米颗粒后分散到乙醇中超声；
步骤1.3，然后磁力搅拌并逐滴加入TEOS，1h后逐滴加入浓氨水后搅拌12h，用乙醇清洗，制得介电层包覆锡粒子混合溶液。
6.如权利要求5所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：步骤1.1中，PVP与NaBH4质量比为1:1；步骤1.3中，TEOS与浓氨水的体积比为1:25。
7.如权利要求4所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：步骤2中，具体步骤为：
步骤2.1，取SnCl2溶液，加入盐酸直至pH值在5.6-6.5；将步骤1中制备的介电层包覆锡粒子混合溶液加入该溶液中；
步骤2.2，经多次用去离子水清洗后，在频率为80KHz超声条件下与40mL银氨溶液进行反应10min；
步骤2.3，用去离子水多次清洗后，将清洗后粒子溶于有机溶剂中，加入甲醛和银氨溶液，保持60℃磁力搅拌24h，清洗后制得含介电层的三层核-壳结构纳米粒子。
8.如权利要求7所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：步骤2中，所使用的银氨溶液均为新制备的银氨溶液，步骤2.3中，甲醛和银氨溶液的体积比为1:100至1:120，所述的有机溶剂为乙醇。
9.如权利要求4所述的太阳能吸收液的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述的基液为水、硅油的工质流体，表面稳定剂为十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮，石墨烯为用水合肼还原改进Hummers法制得氧化石墨烯得到的。
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