氧化石墨烯与ntc半导体粉体杂化太阳能吸热材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能吸热材料的制备方法，具体涉及一种氧化石墨烯与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料及制备方法，本发明制备的材料可以用于太阳光吸热、光热转换、热电转换、光热和激光信号探测领域。
【背景技术】
[0002]太阳光吸热应用一般采用黑色金属或合金粉末涂层作为吸热材料，其主要吸热范围为可见光，对于红外和紫外光吸收效率差异较大，各有优劣。最早人们使用黑板漆作为吸光材料，吸收率可达97%，但是他边吸收，又边以不可见红外线的形式把热量又辐射出去好大一部分，造成总效率降低。黑铬涂层的吸收比α和发射比ε分别为0.93 — 0.97和0.07—0.15, α/ε为6?13，具有优良的光遒选择性。黑铬涂层的热稳定性和抗高温性能也很好，适用于高温条件，在300°C能长期稳定工作。此外，黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。佰牛产成本较高。黑镍涂层的吸收比α可达0.93?0.96,热发射比ε为0.08?0.15, α/ε接近6?12，其吸收性能较好。由于黑镍涂层的热稳定性、耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。黑钴涂层的牛.耍成分是CoS,具有峰窝型网状结构，其吸收比α可达0.94?0.96，发射比ε为0.12?0.14，α/ε为6.7?8。粟用酞菩绿和自制的铁铜复合氧化物一一Fe3CuO5S颜料，以丙烯酸树脂为粘合剂，以乙酸乙脂、乙酸丁脂和二甲苯混合物为溶剂，采用多次喷途法，在钢板底材上涂层厚度不超过3 μ mo该涂层的太阳吸收比为0.94?0.96,发射率比为0.37?0.39。该涂层成本低，性能较好，装饰性强，适合在太阳房和热水器上应用。上述材料其红外辐射发射率高，总吸热效率有限。
[0003]力求把太阳光吸收转化为热能，找到能充分全部利用可见光、紫外光和热量高的红外光的光吸热材料，一直是科学技术的追求目标。
[0004]新型杂化材料外观为黑色，不但可以吸收可见光的，还可以吸收红外光。它采用一种或几种负温度系数半导体(缩写NTC)粉体材料被氧化石墨烯包覆，因为氧化石墨烯为透明绝缘材料，光可以透过氧化石墨烯，对于包裹其间的半导体材料粉末表面激发而产生电子跃迀，该电子在半导体颗粒表面产生电磁波，而电磁波只能在绝缘的氧化石墨烯包裹的微小空间中传播，半导体颗粒表面激发所得自由电子与绝缘的氧化石墨烯碰撞后，也无法将能量传递出去，只会在微米尺度氧化石墨烯绝缘空间振荡并且产生电磁波振荡，最终形成半导体颗粒表面原子的电子发生等离子体振荡而升温，使得光能可以较完全的转换为热能，杂化材料外观为黑色可以吸收可见光，又因为等离子体振荡使得该材料可以吸收光谱分布范围宽，同时反射率和对外辐射发射率接近于零，使得光能量不会被再次以红外线被再次幅射出去，所以吸热效率更高。新型杂化材料具有与黑铬、钴或黑镍涂层一样或者说接近的吸收效率，但其对外辐射发射率更低，特别是红外辐射几乎接近于零，因而材料总的光热转换效率会更高。同时其热稳定性和抗高温性能也很好，300 °C能长期稳定工作。还具有较好的耐候性和耐蚀性。同时其成分以金属锰和铜铁氧化物为主，钴和镍氧化物为辅，随着氧化石墨烯大规模制造成本降低，其比较成本也有优势。
【发明内容】
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氧化石墨烯与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料及制备方法，
[0007]技术方案
[0008]一种氧化石墨烯与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料，其特征在于:采用透光率80%以上的电绝缘体氧化石墨烯薄膜包覆深颜色负温度系数的NTC半导体粉体材料或掺杂NTC半导体材料。
[0009]所述NTC半导体粉体材料或掺杂NTC半导体材料的颜色为黑色到深蓝紫色之间，粒径为5微米到lnm。
[0010]所述NTC半导体粉体材料是粒径在100纳米以下单分散粉末颗粒。
[0011]所述电绝缘体氧化石墨烯采用透明度80%以上的多层或者单层氧化石墨烯。
[0012]—种制备所述氧化石墨稀与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料的方法，其特征在于步骤如下:
[0013]步骤1:将氧化石墨烯和NTC半导体粉末或掺杂NTC半导体材料，按照氧化石墨烯:NTC颗粒为1000?1.01: I的摩尔进行配比；
[0014]步骤2:通过研磨混合使得氧化石墨烯包覆于NTC半导体粉末或掺杂NTC半导体材料的表面形成包覆后的颗粒。
[0015]—种制备所述氧化石墨稀与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料的方法，其特征在于步骤如下:
[0016]步骤1:将氧化石墨烯和NTC半导体粉末或掺杂NTC半导体材料一种或数种，按照氧化石墨烯:NTC颗粒为1000?1.01: I的摩尔进行配比；
[0017]步骤2:将氧化石墨烯先配成水溶液或者有机溶剂溶液；
[0018]步骤3:将NTC半导体材料或者掺杂NTC半导体材料两者一种或数种搅拌加入溶液分散混合均匀，然后过滤掉水或者溶剂，再烘干蒸发掉残余的水或溶剂，使得氧化石墨烯包覆于NTC半导体粉末或掺杂NTC半导体材料的表面形成包覆后的颗粒。
[0019]有益效果
[0020]本发明提出的一种氧化石墨烯与NTC半导体粉体杂化太阳能吸热材料及制备方法，本发明提供的光吸热材料，其吸收光的能量转换为热的效率有明显提高，采用透光率90%以上的电绝缘体氧化石墨烯薄膜包覆深颜色负温度系数(缩写NTC)半导体粉体材料。主要来源于透明绝缘氧化石墨烯膜包裹黑色半导体热敏纳米颗粒，太阳光或者其他激光等的可见光和不可见光的光线可以90%以上透过氧化石墨烯薄膜(单层氧化石墨烯最高可以达到98.5% )，光子激发半导体纳米颗粒表面产生电子跃迀，但是纳米颗粒表面电子被限制只能在由绝缘氧化石墨烯膜包裹的在极有限域微小空间发生共振和碰撞，相互之间碰撞频率会更高更快，导致纳米颗粒表面电子发生等离子体共振而生成热量，因为此激发作用不但对可见光有效，不可见的红外和紫外光也可以起吸收作用，因而使得黑色半导体热敏纳米颗粒不但可以完全吸收可见光，而且可以几乎完全吸收红外光和紫外光。
[0021]与其他同类材料相比，吸收可见光的效率接近，但由于由此被绝缘透明氧化石墨烯包裹而引发纳米颗粒表面发生等离子体共振，光的能量可见光有效，不可见的红外和紫外光，可以几乎全部转化为热量，因此其向外辐射发射率更低，材料总的光热转换效率更尚O
【附图说明】
[0022]图1激光照射烧蚀材料效果示意图.上图为普通激光烧蚀材料效果，会形成一个小洞；下图为激光通过照射杂化材料进而加热烧蚀效果，会一次烧蚀数百倍的椭圆的平面面积。
【具体实施方式】
[0023]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0024]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:NTC半导体粉体材料要求能够产生光致生电或者热致生电效应，而且颜色为黑色到深蓝紫色之间，颜色深主要是为了吸收可见光。粒径为5微米到lnm，最好是100纳米以下单分散粉末颗粒，这样对于光激发吸收效率会更高。一种或几种此类半导体材料被氧化石墨烯包覆，氧化石墨烯为透明电绝缘材料，两者混合加工形成NTC半导体粉末颗粒包裹于氧化石墨烯中间的一种杂化复合材料，以此作为一种新型太阳能吸热材料使用或者热源探测材料使用。
[0025]本发明还提供所述的材料的制备方法，包括以下材料和步骤:
[0026]采用不同方法制备的多层或者单层氧化石墨烯，可以购买或者制备均可。主要是所制氧化石墨稀必须透光率至少大于80%以上，其中尤以单层氧化石墨稀透光97.5%效果最好。深颜色的NTC半导体粉末材料，主要性能颜色黑色到深蓝紫色之间，半导体材料具有热敏生电或者光致生电性能；若粉末为白色，可以先用染料染为黑色到深蓝紫色之间。这类材料比如黑色的 Mn3Cu2Ni09_x (X〉0.001)、Mn3Co2N19^x, Mn3CuFeNi09_x黑色 CuO 粉掺杂Ni，还有稀土 Y、Ce掺杂1102为白色，必须先用染料染为黑色等再使用；半导体材料颗粒粒径最大不能超过5微米，100纳米以下较好，最好是100纳米以下的单分散粉末形态，效果更好。
[0027]还有一类稀土或者变价元素掺杂形成的半导体，比如Gd掺杂的NaA103、Ce掺杂NaCoO2或者P、In掺杂的S1 2等，具有热敏生电或者光致生电性能突出者更好，若为浅色，可以采用染料染至呈黑色。这类半导体材料颗粒粒径最大不能超过10微米，粒径是100纳米以下的单分散粉末形态效果更好。
[0028]制备方式之一，为采用研磨方式将氧化石墨烯与上述NTC半导体材料或者掺杂NTC半导体材料按照(