隨著‘3060’目標(biāo)的推進(jìn)，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(jì)實(shí)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(dòng)先進(jìn)的超臨界二氧化碳(sCO2)動(dòng)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(shí)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(jì)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(dá)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(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)向更高的工作溫度，可以使用先進(jìn)的超臨界CO2動(dòng)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(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)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(kuò)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)路易斯酸強(qiáng)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?，即使是一個(gè)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(shí)間要長得多。該耐火氣凝膠在700℃下時(shí)效10天，受熱效率為75%，這高于所有報(bào)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(dòng)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(jì)，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(shí)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(shí)現(xiàn)以更低的成本提供可再生能源。
