一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法

摘要

一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，属于功能涂料技术领域。本发明通过电化学处理直接在三种过渡金属复合的合金表面上构建自组装纳米结构，其纳米针阵列结构有利于光的捕获和表面反射的减少，可以实现对入射光的多重反射和吸收。薄膜的主要成分为过渡金属的尖晶石氧化物，主要是通过电化学诱导基底中金属的氧化而形成的。尖晶石氧化物的固有吸收是主要的吸收机理。这种结构的吸收涂层在太阳光谱上具有很高的吸收率，并且热损失低，具有优良的选择吸收性能。

权利要求

1.一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，其特征在于：选择过渡金属复合合金作为基材，通过电化学处理在复合合金表面构建自组装纳米结构；

所述过渡金属复合合金具体为Fe、Cu、Co、Ni中的至少三种，三种元素的摩尔比为1 2:1~

2:1 2。

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2.如权利要求1所述用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，其特征在于步骤为：

（1）电极的制备：取过渡金属复合合金，剪裁成工作电极，将石墨板用作辅助电极；

（2）电化学处理：将两个电极系统置于调配混合过的铬酸和硫酸电解液中，进行电化学处理；施加方波调制电位，分别调整方波脉冲的较高电位EH和较低电位EL以及每个脉冲的宽度tH和tL形成黑色表面；

（3）后处理：将步骤（2）所得样品冲洗并干燥，即得用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料。

3.如权利要求2所述用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中电解液中铬酸和硫酸的摩尔比在1 2:1 2之间，且浓度控制在2mol/L以下。

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4.如权利要求2所述用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）电化学处理时，具体调整方波脉冲的较高电位EH为0.6~0.8v，较低电位EL为‑

0.6~‑0.8v；每个脉冲的宽度tH=0.02~0.03s和tL=0.06~0.07s；持续20min~40min。

5.权利要求1所述方法制备的用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料，其特征在于：具体为过渡金属复合合金表面形成的黑色薄膜。

6.如权利要求5所述用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料，其特征在于：所述黑色薄膜在0.3 1.5μm 波段内吸收率达到99%。

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说明书

一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，属于功能涂料技术领域。

背景技术

[0002] 在最近的几年中，纳米结构材料因其出色的机械、光学和电学性质而引起了学术圈广泛的关注。纳米结构材料在光吸收方面具有极大的优势而广泛应用于太阳能领域中。
太阳能吸收材料的关键在于其近波段高吸收率和远波段低热辐射，二维周期性的纳米或微
结构表面被证明是光谱控制的一种选择。最近，通过物理方法在Si、W金属上获得了极低反
射率的涂层，然而其并未在可见红外区域表现出光谱选择性。

[0003] 有研究表明通过电化学方法在Fe‑Cr‑Ni合金上可以加工出具有粗糙纹理的结构表面，这种结构的薄膜在紫外可见近红外区吸收率可达到95％，通过此简单制造方法制备
的涂层在太阳能光热转换的应用上具有一定的前景和竞争力。

[0004] 上述方法仍然存在以下缺陷：设备耗能较大；此方法制得的涂层吸收率较好，但仍有提升空间；近年来对环保要求不断提高，含Cr类的涂层在生产过程会产生污染源，所以需
要选取能够取代Cr类的太阳能吸收元素。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，该复合材料在UV‑Vis‑NIR(0.3～1.5μm)区域内显示出极高的吸收
率，并且极大地简化了其制备工艺，降低了设备的使用需求。

[0006] 本发明所采用的技术方案如下：一种用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料的制备方法，选择过渡金属复合合金作为基材，通过电化学处理在复合合金表面构建自组
装纳米结构。

[0007] 进一步地，步骤为：

[0008] (1)电极的制备：取过渡金属复合合金，剪裁成工作电极，将石墨板用作辅助电极；

[0009] (2)电化学处理：将两个电极系统置于调配混合过的铬酸和硫酸电解液中，进行电化学处理；施加方波调制电位，分别调整方波脉冲的较高电位EH和较低电位EL以及每个脉冲
的宽度tH和tL形成黑色表面；

[0010] (3)后处理：将步骤(2)所得样品冲洗并干燥，即得用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料。

[0011] 进一步地，步骤(1)中所述过渡金属合金板包含三种过渡金属。

[0012] 进一步地，步骤(1)中所述过渡金属合金板具体为Fe、Cu、Co、Ni中的至少三种，三种元素的摩尔比为1～2:1～2:1～2。

[0013] 进一步地，步骤(2)中电解液中铬酸和硫酸的摩尔比在1～2:1～2之间，且浓度控制在2mol/L以下。

[0014] 进一步地，步骤(2)电化学处理时，具体调整方波脉冲的较高电位EH为0.6～0.8v，较低电位EL为‑0.6～‑0.8v；每个脉冲的宽度tH＝0.02～0.03s和tL＝0.06～0.07s；持续
20min～40min；脉冲宽度为脉冲达到最大值所持续的周期。

[0015] 进一步地，步骤(4)中采用蒸馏水冲洗，并在60～80℃下干燥。

[0016] 上述方法制备所得的自组装纳米结构复合材料，具体为过渡金属复合合金表面形成的黑色薄膜。

[0017] 进一步地，所述黑色薄膜在0.3～1.5μm波段内显示出极高的吸收率。

[0018] 进一步地，所述黑色薄膜在红外区域的热辐射较低。

[0019] 本发明尝试用Cu和Co元素替代Cr，选择Fe‑Cu‑Ni复合合金作为基材，通过电化学处理直接在三种过渡金属复合的合金表面构建自组装纳米结构，合成了具有抗反射和光陷
阱的纳米结构太阳能吸收材料。

[0020] 本发明通过电化学处理直接在三种过渡金属复合的合金表面上构建自组装纳米结构，其纳米针阵列结构有利于光的捕获和表面反射的减少，可以实现对入射光的多重反
射和吸收。薄膜的主要成分为过渡金属的尖晶石氧化物，主要是通过电化学诱导基底中金
属的氧化而形成的。尖晶石氧化物的固有吸收是主要的吸收机理。这种结构的吸收涂层在
太阳光谱上具有很高的吸收率，并且热损失低，具有优良的选择吸收性能。

[0021] 该材料中包括过渡金属，这些过渡金属在3d轨道进行电子跃迁从而有利于光吸收。经过测试表明涂层吸收率有所提高，Cu和Co元素具有与Cr相似的太阳能吸收性能甚至
更佳。

[0022] 本发明的有益效果如下：本发明制备的自组装纳米结构复合材料在复合合金基材表面构建了自组装的二维纳米结构，利于对太阳光的捕获及表面反射的减少，实现了对入
射光的多重反射和吸收，使涂膜在太阳光谱上具有很高的吸收率和较低的热损失，从而具
有高的太阳能转换效率。经过测试，在UV‑Vis‑NIR区域，即0.3～1.5μm波段内显示出几乎完
全的吸收率，在红外区域的热辐射较低；本发明制备工艺简单，对设备需求较小，制备的产
品在太阳转换的应用方面具有竞争力，在能量转换领域具有良好的实用价值。

附图说明

[0023] 图1为实施例1制备所得材料样品表面AMF图像。

[0024] 图2为尖晶石复合材料的织构膜的实验吸收率和块状Fe‑Cu‑Ni合金表面的实验吸收率曲线图。

[0025] 1、尖晶石复合材料的织构膜；2、块状Fe‑Cu‑Ni合金表面；3、AM 1.5的太阳辐射光谱。

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] 将购买的合金板(Cu：Ni：Fe＝1.2:1:4)裁剪成3cm×3cm，厚度为0.3mm的尺寸用作工作电极，并将石墨板用作辅助电极。将两个电极系统置于混合的铬酸和硫酸(摩尔比为1:
1)电解液(浓度为1.5mol/L)中。在电化学处理过程中，施加方波调制电位；调整方波脉冲的
较高电位EH＝0.6v和较低电位EL＝‑0.6v以及每个脉冲的宽度tH＝0.02s和tL＝0.06s，持续
20min，可以在合金上形成典型的黑色表面。取出基材，用蒸馏水冲洗干净，放入60℃烘箱中
干燥，所得黑色涂层即为用于太阳能吸收的自组装纳米结构复合材料。

[0028] 对制备所得复合材料样品表面(5μm×5μm)在AMF下观察，所得图像如图1所示。实施例1中的AFM图像黑色表面的标准条件为：施加电势EL＝‑0.6V，EH＝0.6V；tL＝0.06s，tH＝
0.02s；并持续20min。通过施加EL＝‑0.6V，EH＝0.6V的电位，可以在合金上形成典型的黑色
表面，其表面结构以针状阵列为主。在20min的恒定过程中，这些峰的平均高度(h)约为
80nm。所有样品的主峰高度偏差均低于4nm，在Z轴上显示出良好的均匀性，而每个峰的碱基
长度(l)在100～200nm范围内。因此，纵横比h/l＝0.4‑0.8。观察到，在合金元素的活性电势
区域中，施加的电势越高，获得的纵横比越高。较高的纵横比有利于表面的抗反射，因此有
利于光吸收。

[0029] 图2是尖晶石复合材料的织构膜的实验吸收率1和块状Fe‑Cu‑Ni合金表面的实验吸收率2曲线图；其中曲线3是AM 1.5的太阳辐射光谱。可以看出，纳米结构表面提高了超高
光吸收率，在太阳主辐照区域(0.3～1.5μm)中吸收率高达99％。吸收曲线伴随着红外线区
域中尖端光谱(≈1.5μm)的急剧下降，表明该吸收剂可用于高温，因为它具有所需的吸收选
择性。

[0030] Fe‑Cu‑Ni块状合金的吸收率在整个研究光谱中显示出较差的选择性吸收，因此证明合金板本身并不是很好的吸收剂。

[0031] 本发明通过电化学处理直接在三种过渡金属复合的合金表面上构建自组装纳米结构，其纳米针阵列结构有利于光的捕获和表面反射的减少，可以实现对入射光的多重反
射和吸收。薄膜的主要成分为过渡金属的尖晶石氧化物，主要是通过电化学诱导基底中金
属的氧化而形成的。尖晶石氧化物的固有吸收是主要的吸收机理。这种结构的吸收涂层在
太阳光谱上具有很高的吸收率，并且热损失低，具有优良的选择吸收性能。

[0032] 以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。