隨著‘3060’目標(biāo)的推進，太陽能作為一類重要的可再生能源，也將參與重塑能源未來。在眾多清潔能源中，太陽能發(fā)電是最經(jīng)濟實惠的一種，我國是世界上光伏發(fā)電第一大國。在太陽能發(fā)電中，特別需要高溫來驅(qū)動先進的超臨界二氧化碳(sCO2)動力循環(huán)，這種循環(huán)比目前使用的蒸汽朗肯循環(huán)更高效、更緊湊，因此，開發(fā)具有高太陽吸收率和低熱發(fā)射度的接收器，能夠承受700°C以上的溫度，可以實現(xiàn)更多模塊化和更便宜的聚光太陽能熱發(fā)電(CST) 。
鑒于此，美國密西根大學(xué)Neil P. Dasgupta和Andrej Lenert設(shè)計了一種透明的耐火氣凝膠，由于在硅氣凝膠的高寬比孔隙中使用共形單周期原子層沉積（ALD）合成了耐火硅酸鋁相，從而在高達800°C的空氣中可以維持穩(wěn)定的性能。這種透明耐火氣凝膠在100個太陽照射下的接收效率為75%，吸收器溫度為700°C，比目前的技術(shù)水平提高了5%。特別是，在保持較高的接收效率的同時，轉(zhuǎn)向更高的工作溫度，可以使用先進的超臨界CO2動力循環(huán)，最終將太陽能-電力轉(zhuǎn)換效率提高約10%。相關(guān)工作以“Transparent Refractory Aerogels for Efficient Spectral Control in High-Temperature Solar Power Generation”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。
【耐火材料氣凝膠組成及表征】
使用三甲基鋁(TMA)和去離子水作為前驅(qū)體，用ALD單循環(huán)改性親水(端羥基)硅氣凝膠的表面，制備透明的耐火氣凝膠。為克服均勻覆蓋氣凝膠和涂層沉積的難點，該團隊開發(fā)了一種多劑量準(zhǔn)靜態(tài)模式ALD工藝，能夠?qū)Τ邔捀弑瓤紫?> 60000:1)進行保角改性，并具有良好的前驅(qū)體利用率。在ALD過程中，出現(xiàn)了相對大塊氧化鋁的分化和大量的Al-O-Si單元的形成，這些Al-O-Si鍵是TMA與羥基化無定形二氧化硅自終止反應(yīng)的預(yù)期產(chǎn)物種類，由于其非常高的比表面積，顯著地改變了氣凝膠的整體組成，從而改善了其物理和化學(xué)性能。
經(jīng)表征，氣凝膠中純氧化硅的組成由原來的純氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>硅鋁比≈3:1，鋁含量在整個氣凝膠體積中是均勻的，耐火氣凝膠粒子外表面的結(jié)合環(huán)境類似于已知的鋁硅酸鹽。重要的是，即使在高溫退火后，耐火氣凝膠也是無定形的。
【熱穩(wěn)定性提高】
接下來，通過觀察氣凝膠在800℃下老化14天前后的物理性能和兩種不同溫度下的氣凝膠隨老化時間的線性收縮來考察耐火氣凝膠的熱穩(wěn)定性改善情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ALD改性穩(wěn)定了耐火氣凝膠的高介孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高使得老化耐火氣凝膠的室溫導(dǎo)熱系數(shù)(≈30%)低于硅基氣凝膠，并且，耐火氣凝膠具有優(yōu)越的長期穩(wěn)定性，可能適合在800℃的溫度下操作。
ALD改性提高了熱穩(wěn)定性可能歸因于動力學(xué)、熱力學(xué)和機械效應(yīng)的作用。與硅氣凝膠相比，鋁-硅氣凝膠在干燥過程中收縮更小，燒結(jié)阻力更好。硅氣凝膠的燒結(jié)通常歸因于在高溫下固體網(wǎng)絡(luò)的粘度降低，這允許結(jié)構(gòu)松弛和表面擴散，靠近表面的硅酸鋁的形成可能抑制了底層二氧化硅的運動。此外，研究發(fā)現(xiàn)耐火氣凝膠保持了在CST應(yīng)用中長期使用所必需的高透光率。
【老化耐火氣凝膠的光學(xué)和隔熱性能】
高溫老化和700°C運行后的光學(xué)和熱性能決定了氣凝膠在CST應(yīng)用中的性能。老化的二氧化硅和耐火氣凝膠具有幾乎相同的太陽能透過率。而且老化的耐火氣凝膠比其硅溶膠更有效地抑制熱損失。此外，ALD改性對熱不透明度和減少熱損失有正面影響。特別的是，這種耐火氣凝膠的富鋁表面具有很強的吸水能力，使它在高溫下也很穩(wěn)定。這可能是由于不飽和(三配位)表面鋁位的強路易斯酸強烈地吸附水，以抑制輻射損耗。在耐火氣凝膠中觀察到高溫可能導(dǎo)致去羥基化，但暴露在潮濕的空氣中可以再生親水基?？傊词故且粋€ALD循環(huán)也可以顯著改變多孔基質(zhì)的疏水性/親水性溫度依賴性的水吸附導(dǎo)致耐火氣凝膠在較低溫度下吸收更多的紅外輻射。
【接收器性能】
耐火氣凝膠在空氣中老化，而且比同類產(chǎn)品的老化時間要長得多。該耐火氣凝膠在700℃下時效10天，受熱效率為75%，這高于所有報告的系統(tǒng)測量的發(fā)射率。而且，耐火氣凝膠的透明度(94%)高于選擇性表面的吸收性(<91%)，導(dǎo)致更高的接收效率。耐火氣凝膠提高了熱穩(wěn)定性，再加上它的高接收效率，通過使用更高效率的sCO2動力循環(huán)，有可能將太陽能-電力轉(zhuǎn)換效率提高約10%。此外，氣凝膠表現(xiàn)出壓力無關(guān)的熱阻低于10 mbar，這可以使成本更低的接收器設(shè)計，不需要高真空水平和/或幫助保持性能，通過避免與真空故障相關(guān)的問題。
【小結(jié)】
綜上所述，該研究向我們展示了一種耐火氣凝膠，它克服了硅氣凝膠的熱穩(wěn)定性限制，同時保持了其關(guān)鍵功能特性，即高太陽透過率和高熱阻。此外，其高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到改善并且可以獲得迄今為止最高的接收效率。由于透明耐火氣凝膠隔熱材料在高溫下的穩(wěn)定性能，它有潛力開啟模塊化、高效率太陽能熱電廠的發(fā)展，可以實現(xiàn)以更低的成本提供可再生能源。
