全光谱吸收材料及光热储一体化的制作方法

属于新能源、太阳能与储能，具体涉及光吸收材料和光热储热一体化材料。

背景技术：

0、技术背景

1、太阳能是巨大的绿色能源，每天都有巨量的太阳辐射能投射到地球。光热利用是太阳能的主要利用方式，光热发电已经大规模地应用，熔盐被用于储存高温太阳能。至2021年底，全球光热发电站的装机容量约为6.6gw。光热转换材料是太阳能光热利用的关键，材料的性能直接影响太阳能的利用效率；优异的光热材料应该具有吸光度高、能够全波长吸收太阳光、光热转换效率高以及材料成本低。

2、另外，波动性和季节性严重影响太阳能的利用，储能技术可以解决这个问题。储能技术能够促进能源生产消费、协同发展、推动能源革命和新能源的发展和利用，储能技术是新能源与可再生能源发展的核心支撑，储能技术的创新突破将成为带动全球能源格局革命性和颠覆性调整的重要引领技术。相比于电化学储能和电气储能等技术，储热技术在装机规模、储能密度、储能成本和使用寿命等方面具有显著的优势。与压缩空气储能和抽水蓄能相比，储热技术的储能密度高、占地面积小、成本低、对环境影响小、不受地理和环境等条件的限制。热能储存技术也是一种能量密度高、转换效率高以及大容量与规模化储能方式，能够在构建以新能源为主体的新型电力系统、保障电力系统安全稳定运行以及构建清洁低碳安全高效的能源体系等发挥重要作用。

3、化学储热技术利用可逆热化学反应完成储热和放热；比如，石灰遇水生成熟石灰同时放出大量的热能(1400kj/kg),熟石灰受热脱水生成石灰完成储热。水合物的吸水和脱水过程完成放热和储热。化学储热技术的储能密度是熔盐储热的数倍，而且可以把夏季的高温太阳能储存用于冬季，储热过程几乎无热能损失。水和熔盐储热是显热储热，有热能损失，适合于在有限的时间内储热。本发明揭示新型高效的光热材料，不但能够全波吸收太阳光，而且光热转换效率高，材料具有纳米多孔结构。利用这种新型光热材料改性储热材料构成光热储一体化新型材料，光热储一体化可以减少设备数量、减少光热储设备费用、缩短光热储过程、提高光热储系统的效率和经济效益。

技术实现思路

1、太阳能取之不尽，用之不竭。太阳能可分为紫外光、可见光和近红外光，这3个部分的量分别约为5％、45％和50％；可见光和近红外光约占太阳能的95％。高效地利用太阳能需要吸光材料能够全光谱吸收太阳能，然而，这种材料很少；本发明提供能够全波吸收太阳能的材料。另外，传统的太阳能技术利用管道和导热流体传输热能，这个过程既有热能损失、也增加设备和维护成本。如果储热材料能够直接把光能转化为热能以及完成储热，就可以省去换热和热能传输过程和相关的设备，具有实际应用的优势。解决储热材料直接吸收太阳能的科学问题可以用光热材料增强储热材料的吸光度和光热转化效率，使其一步完成吸收太阳能、光热转换以及储热过程。

2、储热技术包括显热储热，相变储热和化学储热3种方式。显热储热的材料有水和熔盐等，化学储热的材料是可以发生可逆热化学反应的物质，比如石灰、石灰石、氢氧化镁、水合物和能够发生氧化还原反应的多价态的氧化物，如氧化铜、氧化铁、氧化镍、氧化钴和氧化锰等；合成氨反应，甲烷等。

3、

4、对于氢氧化物和水合物储热，脱水反应储热，水合反应放热；氢氧化锂、氢氧化镁和氢氧化钙原料丰富，最具应用前景，储热密度大于1300kj/kg，是熔盐的数倍(式1和2).与氢氧化物类似，水合物也可以发生吸水放热和脱水储热的反应，可以用于储热；比如mgso4·xh2o,na2so4·10h2o,alk(so4)2·xh2o,cacl2·xh2o,srbr2·xh2o,lioh·h2o，sr(oh)2·xh2o等。

5、本发明涉及光吸收材料以及利用光吸收材料增强储热材料的吸光度和光热转化率，同时完成储热的技术。比如，利用本发明涉及的光吸收材料与各类储热材料复合使用，得到光热储一体的储热材料，用于储放热。本发明涉及的储热材料包括显热储热材料、相变储热材料和化学储热材料。比如，显热储热材料包括熔盐、水石蜡、导热油和其他有机物质和无机物质。相变储热材料包括各种无机和有机的相变材料。化学储热材料有各类可逆热化学反应的物质，氢氧化物储热材料选自氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸钙、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化锶、硼酸和氢氧化钙；所述的水合物储热材料选自硫酸钠水合物、硫酸钙水合物、硫酸铜水合物、硫酸镁水合物、硫酸铝水合物、硫酸铝钾水合物、硫代硫酸钠水合物、碳酸钠水合物、溴化钙水合物、溴化镁水合物、氯化锂水合物、硝酸锂水合物、硝酸锌水合物、硝酸铁水合物、硝酸钙水合物、硝酸镧水合物、硝酸镁水合物、溴化锶水合物、氯化锶水合物、氯化钙水合物、氯化镁水合物、氯化镧水合物、氢氧化锂水合物、氢氧化锶水合物、氢氧化钠水合物、氢氧化钾水合物、氯化镁水合物、氯化铁水合物、氯化铝水合物、磷酸钠水合物和磷酸氢钠水合物。

6、本发明涉及的光吸收材料的特点为能够全波长吸收太阳光，尤其是长波光的吸收，光热效率高。本发明涉及的光吸收材料的设计原理为利用晶体场理论、利用不同晶面和不同物质的界面的能量差异构建同质和异质结构以及纳米结构吸光原理,实现调节带隙和载流子浓度，达到全波长吸收和强吸收的目的。本发明涉及的光吸收材料也可以用于光催化化学反应、光热反应、分解水和分解污染物、疾病的光热治疗、光热储能、光热发电、光热脱盐、光热蒸发、光热建筑、光热感应器等。本发明涉及的光吸收材料为含二氧化硅的光热材料，这些光热材料由二氧化硅和金属氧化物组成；所述的金属氧化物选自钴氧化物、铁氧化物、锶氧化物、铬氧化物、镍氧化物、铜氧化物、钒氧化物、锰氧化物、锶氧化物、钛氧化物、镧氧化物、铈氧化物、铝氧化物、锌氧化物、钙氧化物、镁氧化物、硼氧化物、银氧化物、铅氧化物、硒氧化物、锡氧化物、碲氧化物、铟氧化物、镓氧化物、锆氧化物、铪氧化物、汞氧化物、钨氧化物和钼氧化物；可以是一种金属的氧化物与二氧化硅的复合物，二种金属的氧化物与二氧化硅的复合物，三种金属的氧化物与二氧化硅的复合物以及多种金属的氧化物与二氧化硅的复合物。比如，二氧化硅—铁氧化物的复合物，二氧化硅—铬氧化物的复合物，二氧化硅—钴氧化物的复合物，二氧化硅—铁氧化物—锶氧化物的复合物，二氧化硅—铁氧化物—铈氧化物的复合物，二氧化硅—锰氧化物—钙氧化物复合物，二氧化硅—铬氧化物—镍氧化物复合物，二氧化硅—铝氧化物—铜氧化物的复合物，二氧化硅—钛氧化物—铬氧化物复合物，二氧化硅—铝氧化物—钒氧化物—钙氧化物的复合物等。

7、对于这些二氧化硅光热材料，二氧化硅的质量含量为0.3％—90％，优选10％—70％；优选纳米颗粒，多孔结构。比如，crox—sio2光热材料的吸光度曲线图1，不同sio2含量的光热材料的吸光度不同，sio2含量为30mol％的光热材料的吸光度最强，而且能够全波长范围吸收太阳光。光热温度测试结果表明crox—30mol％sio2的光热温度可以达到744℃,其他含量的材料的光热温度略低(图2)。光热材料的铬是多价态的，比如，+1，+2，+3，+4，+5和+6，各个价态铬的含量无限制。其他多价的金属元素构成光热材料也不受价态的限制，各个价态元素的含量无限制。

8、用这个材料与氢氧化镁复合得到能够吸收太阳能的储热材料mg(oh)2–y wt％(crox–30-mol％sio2)，y＝8,15,22的3种材料的光热温度分别为669℃，715℃和726℃(图3)，光照30分钟，光热脱水率可以达到98％(图4)，储热量可以为908kj/klg(图5).储放热循环30次后，光照脱水率还可以达到96.6％(图6)。这些数据远高于纯氢氧化镁在相同条件下的数据，说明光热材料(crox–30-mol％sio2)的性能优异，极大地提高了氢氧化物的吸光度、光热温度和光热脱水储能的效率。mg(oh)2–y wt％(crox–30-mol％sio2)光热储能一体化材料的微观结构如图7，纳米多孔结构有利于光的吸收和传质。

9、上述光热材料与所述的储热材料混合得到复合材料，这些复合材料也就是光热储一体化材料，能够吸收太阳能，吸收太阳能后温度升高完成储热。本发明涉及的储热材料选自相变储热材料、显热储热材料和化学储热材料，比如石蜡、硅油、熔盐、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化锂、氢氧化锶、硼酸、氢氧化钙、氢氧化钠、碳酸钙、硫酸钠水合物、硫酸钙水合物、硫酸铜水合物、硫酸镁水合物、硫酸铝水合物、硫酸铝钾水合物、硫代硫酸钠水合物、碳酸钠水合物、硝酸锂水合物、硝酸锌水合物、硝酸铁水合物、硝酸钙水合物、硝酸镧水合物、硝酸镁水合物、溴化钙水合物、溴化镁水合物、溴化锶水合物、氯化锂水合物、氯化锶水合物、氯化钙水合物、氯化镁水合物、氯化镧水合物、氯化铁水合物、氯化铝水合物、氢氧化锂水合物、氢氧化锶水合物、氢氧化钠水合物、氢氧化钾水合物、磷酸钠水合物、磷酸氢钠水合物以及各种储热材料的联合使用。光热材料可以是上述光热材料的1种、2种或多种混合使用，储热材料也可以是上述储热材料的1种、2种或多种混合使用；光热材料促进储热材料吸收太阳能和储存太阳能。光热储一体化材料，光热材料的质量占比2—60％。