Cu2-xS光热转换材料制备及其在界面加热中的应用

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:clhsmith001
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太阳能是一种绿色、安全的可再生能源,如何高效地利用太阳能是世界各国学者一直关注的焦点问题。光热转换是目前太阳能利用中效率最高的方式,将太阳能高效地转换为热能用于水加热,进而生成水蒸汽在诸如光热发电、医疗消毒、污水处理及海水脱盐等领域具有重要意义。其中,基于界面加热的太阳能蒸汽发生装置是近年来逐步发展起来的一种全新、高效的蒸汽产生方式。Cu2-xS作为一种重要的半导体材料,由于本征吸收作用可对紫外光及可见光产生强烈的吸收作用,同时又由于过渡金属离子Cu2+的d-d跃迁而对近红外区域内的光具有吸收作用,是近年来被广泛研究的重要光热转换材料。本论文分别通过水热法和化学浴沉积法在铜网表面原位制备了Cu2S和Cu7S4两种铜基硫化物作为界面加热的光热转换材料,通过SEM、XRD、EDS及XPS等表征手段对光热材料的微观结构、物相及元素组成进行了分析,通过测量材料的太阳吸收率、水蒸发速率及脱盐能力评价了材料的光热转换性能。研究表明,利用水热法在铜网表面制备的光热材料为Cu2S。反应物浓度、水热时间、温度及表面活性剂种类仅仅改变了材料的微观结构,而并没有对生成物组成产生影响。在反应物硫代硫酸钠浓度为0.09 mol/L、水热温度为160℃、反应时间为12 h、表面活性剂选用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)时,材料具有最优的蒸发效率。在0.25-2.5μm间的吸收率达到了84.34%,首次使用时的水蒸发速率高达1.53 kg·m-2·h-1,随着重复测试次数的增加,水蒸发速率逐渐降低,最终基本稳定在1.34 kg·m-2·h-1左右。利用化学浴沉积法在铜网表面进行材料制备时发现,沉积液中S/S2-的比例仅仅影响了材料的微观结构,并没有对材料组成产生影响,其生成物均为Cu7S4纳米片。而反应时间及升华硫含量对材料的微观结构及组成均产生了较大影响。反应时间较短或升华硫含量较低时,铜网表面的生成物为Cu2S;反应时间较长或硫含量较高时,生成物为Cu7S4。在升华硫浓度为0.25 mol/L、硫化钠浓度为0.32 mol/L、氢氧化钠浓度为0.03 mol/L、反应时间10 min时材料具备最优的蒸发性能,其蒸发效率为1.49 kg·m-2·h-1。经过10次反复的蒸发速率测试,水蒸发速率始终保持在1.46 kg·m-2·h-1左右,表明材料具有良好的稳定性。海水脱盐测试表明,脱盐后溶液中主要离子浓度均低于2 mg/L,脱盐性能优于传统的蒸馏方法。
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