[发明专利]一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统

说明书

本发明公开了一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统，利用选择性吸光材料进行光热转换为催化剂、热电材料提供高温，所述的新型光热系统是将催化剂、或热电材料负载在选择性吸光材料表面，并在选择性吸光材料另一表面设置一层真空隔热层，在室外太阳光的照射下，选择性吸光材料将光能转换为热能，在一个标准太阳光的照射下，选择性吸光材料的温度可以达到300℃，这可以为催化剂和热电材料提供反应所需温度，从而有效代替由电等二次能源驱动的加热系统，大大减少了电能的消耗。本发明的方法具有环境友好，应用广泛等优点，非常适合于工业生产和实际应用。

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，涉及一种选择性吸光材料的新用途及新型光热系统。

背景技术

随着人口增长和工业发展，能源和环境成为目前人类面临的主要问题。催化是解决环境和能源问题的一大利器，已经广泛的应用于各种工业门类。但是很多工业催化普遍需要热激发，这会消耗巨大的电能和其它二次能源。如何降低工业热催化的能源消耗成为了现在产业界的一大难题。太阳能是一种可再生清洁能源，将太阳能转换为热能是人类最古老的利用太阳能的方式。所以，将太阳光转换为热能去驱动热催化是目前热催化二次能源替代领域的一个热点(光热催化)。例如，叶金花团队利用第八族的金属元素(Ru、Rh、Ni、Co、Pd、Pt、Ir和Fe)负载在Al₂O₃载体上，研究其在光热催化条件下将CO₂还原为CH₄。其中，Ru、Rh、Ni、Co和Pd表现出了高于90％的CO₂转化率和对CH₄的选择性，大大的优于传统的TiO₂光催化剂。这样高的活性表现，得益于光热催化材料在整个太阳光谱中良好的光吸收，出色的光热效果，以及对H₂的活化能力。

但是这一类的光热催化需要在10倍以上的标准太阳光能量密度(1KW·m^-2)下进行(Angewandte Chemie 53(2014)11478-11482)。这是因为目前光热催化需要大于10个标准太阳光(≥10KW·m^-2)的高能量密度光照，从而产生足够的温度(催化剂获得的温度≥200℃)去推动光热催化的发生。但是，在太阳能应用领域，较低太阳能密度(一般3KW·m^-2以下)的聚焦可以用较为简单的光学聚焦系统，而产生大于10个太阳的高能量密度光照则需要较复杂的光学聚集系统。光学系统的复杂性也导致了系统操作维护的复杂性和费用的升高，不利于光热催化的工业化推广。因而如何在低能量密度太阳光照下让催化剂产生足够的高温是一个亟待解决的问题。

催化剂在光照下要获得高温，首先需要分析催化剂的热吸收和耗散。光热催化条件下，热量来源于太阳光的辐照。而热输出主要为两方面：热传导和热辐射。热传导可以通过增加隔热材料，真空隔热等方法来降低至很低的水平(催化剂在200℃下，热传导功率≤0.2KW·m^-2(EnergyEnvironmental Science 7(2014)1615-1627))。但热辐射依赖于材料本身的性质。材料都具有固定的辐射率，目前所有的光热催化材料的辐射率都在0.95左右，类似于黑体材料。举例说明，如果光热催化材料加热到200℃的温度(如图1所示)，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，其热辐射的功率为2.26KW·m^-2。即光热材料在200℃下，需要2.26KW·m^-2的热输入才能维持辐射平衡。但标准太阳光的能量密度仅为1KW·m^-2，所以一个太阳光下光热材料的热输入不足以维持光热催化材料处于200℃。目前统计的光热催化材料在标准太阳光下辐照温度为80℃左右(Advanced materials 29(2017))。高辐射率就是光热材料在弱太阳光下不能获得高温的主要原因。光热材料在标准太阳光下获得高温的首要因素是降低热辐射。但是目前为止，并没有改变光热材料热辐射性质的有效方法。综上所述，如何在标准太阳光或者弱太阳光下获得高温是光热领域的一个焦点。

发明内容