一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料及其制备的制作方法

1.本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料及其制备。


背景技术：

2.随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。新型可再生能源的开发研究，将成为全球能源发展的重点和趋势所向。聚焦式太阳能热发电系统是利用集热器通过加热水或者其他工作介质，将太阳辐射能转换成高温热能，再通过热力循环过程进行发电，是一种清洁环保的可再生发电技术，将成为未来解决能源问题的理想途径之一。太阳能吸收材料是实现光热转换的核心材料，其在0.3~2.5μm波段的吸光能力对光热转换效率起着至关重要的作用。尖晶石型过渡金属氧化物是一种重要的太阳能吸热材料，刘刚、耿庆芬等申请的中国发明专利（授权公告号cn 102286243b）《以尖晶石型颜料为吸光剂制备的太阳能选择性吸热涂料的方法》中采用凝胶
‑
凝胶自蔓延燃烧法制备得到蓬松粉末，经复杂的制备过程得到尖晶石型过渡氧化物粉末。但该方法制备尖晶石型过渡氧化物粉末存在成本高、制备过程复杂且不易控制等缺点。
3.红外辐射材料是将基体材料的获得的能量以电磁波辐射的形式高效快速地向外辐射，从而降低基体温度达到节能作用；同时红外辐射材料也能将热能转变为红外辐射能量，以电磁波的形式直接辐射到被加热的物体上，引起分子共振，迅速升温，从而达到加热的目的。这种材料已经从最开始的干燥加热扩展到航空航天、工业窑炉、建筑涂层、保健、医疗等各个领域。目前国内外研究还是集中在以过渡金属氧化物合成尖晶石为红外辐射材料为主，尖晶石型红外辐射材料具有较高相稳定性和红外发射率，于宏兵等申请的中国发明专利（授权公告号cn 103771530b）《一种掺杂稀土元素的尖晶石结构红外辐射材料及制备方法》中采用金属硝酸盐加络合剂柠檬酸，在80~85℃水浴条件下搅拌得到凝胶，将所得凝胶置于100~120℃烘箱中烘干3~5小时得到干凝胶，后经自蔓延燃烧得到蓬松粉末，蓬松粉末研磨过筛后在600~800℃烧结1~2小时，经冷却得到尖晶石结构红外辐射材料。但该方法制备尖晶石结构红外辐射材料存在原料成本高、制备步骤多、过程复杂且不易控制等特征。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种高太阳能吸收率和高法向红外发射率的具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料。
5.本发明所要解决的另一个技术问题是提供该具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料的制备。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其特征在于：该材料具有尖晶石晶体结构，其颗粒直径为100~700nm，化学通式为cucrmn1‑
y
re
y
o4，其中re为ce或la，0≤y≤0.20；在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率和在2~22μm的法向红外发射率采用电磁波进行调控。
7.如上所述的一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料的制备方法，其特征在于：首先将cuo、cr2o3、mno2、reo
x
粉末按1：1：1
‑
y ：y的金属元素摩尔比进行称量，然后经球磨混合、烘干、研磨，得到混合物粉末；所述混合物粉末在空气氛围中经高温煅烧、冷却、研磨至颗粒直径为100~700nm制得；所述reo
x
是指ceo2或la2o3；y的取值范围为0~0.20。
8.所述球磨的条件是指采用行星式球磨机进行，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水的质量比为2~5：1：3。
9.所述烘干条件是指温度为75~85℃，时间为10~14h。
10.所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为600~900℃，升温速率为10~15℃/min，煅烧时间为2~6小时。
11.所述冷却方式是指随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。
12.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明通过稀土元素ce
4
或la
3
的掺杂改变原有cucrmno4晶体结晶情况，并引起晶格畸变，破坏了原有的晶格振动周期，使晶格振动增加，从而提高材料的光吸收性能，避免了传统尖晶石的偏析。
13.2、本发明采用机械湿磨法混合和固相合成法结合的方法制备稀土掺杂尖晶石材料，具有操作简单、生产效率高、无需复杂的后处理且可实现工业生产等优点。
14.3、本发明制备的稀土掺杂尖晶石材料，可通过电磁波调控使其在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率≥0.87，在2~22μm的法向红外发射率≥0.92，1000℃空气中进行了100h热稳定实验，结果显示晶体结构稳定，表明该材料热稳定性良好。
附图说明
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
16.图1为本发明实施例2制备的cucrmn
0.99
ce
0.01
o4的xrd图。
17.图2为本发明实施例3制备的cucrmn
0.99
la
0.01
o4的xrd图。
18.图3为本发明实施例3制备的cucrmn
0.99
la
0.01
o4的sem图。
具体实施方式
19.一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，该材料具有尖晶石晶体结构，其颗粒直径为100~700nm，化学通式为cucrmn1‑
y
re
y
o4，其中re为ce或la，0≤y≤0.20；在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率和在2~22μm的法向红外发射率采用电磁波进行调控。
20.其制备方法：首先将cuo、cr2o3、mno2、reo
x
粉末按1：1：1
‑
y ：y的金属元素摩尔比进行称量，然后经球磨混合、烘干、研磨，得到混合物粉末；混合物粉末在空气氛围中经高温煅烧、冷却、研磨至颗粒直径为100~700nm制得。
21.其中：reo
x
是指ceo2或la2o3；y的取值范围为0~0.20。
22.球磨的条件是指采用行星式球磨机进行，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水的质量比为2~5：1：3。
23.烘干条件是指温度为75~85℃，时间为10~14h。
24.高温煅烧的条件是指煅烧温度为600~900℃，升温速率为10~15℃/min，煅烧时间为2~6小时。
25.冷却方式是指随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。
26.实施例1一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其化学组成式为cucrmno4。具体制备过程如下：按金属元素摩尔比1：1：1分别称取cuo（15.910g）、cr2o3（15.199g）、mno2（17.388g）粉末；按球：料：水的质量比2：1：3，分别将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为300r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为300r/min，共计球磨5小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合物粉末干燥、研磨；再将研磨后的混合物粉末在箱式电阻炉空气氛围中升温至600℃煅烧，升温速率为10℃/min，煅烧时间为2小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到cucrmno4尖晶石材料。
27.取0.2g该cucrmno4尖晶石材料，采用美国perkinelmer公司制造的lambda 950型紫外/可见/近红外分光光度计（配有150mm积分球）来评估该稀土掺杂尖晶石材料的太阳能吸收率，然后根据国际标准iso 9845
‑
1（1992）中的计算公式来计算太阳能吸收率，测出其在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.87。采用日本senor公司制造的tss
‑
5x
‑
2红外发射率检测仪来评估该稀土掺杂尖晶石材料的红外发射率，测得其在2~22μm波段的法向红外发射率为0.91。
28.实施例2一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其化学组成式为cucrmn
0.99
ce
0.01
o4。具体制备过程如下：按金属元素摩尔比1：1：0.99：0.01分别称取cuo（15.910g）、cr2o3（15.199g）、mno2（17.214g）、ceo2（0.344g）粉末；按球：料：水的质量比4：1：3，分别将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为450r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为450r/min，共计球磨8小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合物粉末干燥、研磨；再将研磨后的混合物粉末在箱式电阻炉空气氛围中升温至900℃煅烧，升温速率为12℃/min，煅烧时间为3小时，煅烧后空气淬火冷却至室温，即可得到cucrmn
0.99
ce
0.01
o4尖晶石材料。
29.对该cucrmn
0.99
ce
0.01
o4尖晶石材料进行x射线衍射测试，可以看出所得材料具有cucrmno4尖晶石结构，且晶体结构与生长状态良好（如图1所示）。
30.取0.2g该cucrmn
0.99
ce
0.01
o4尖晶石材料分别进行太阳能吸收率、红外发射率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在2~22μm波段的法向红外发射率为0.94，在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.92。
31.实施例3一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其化学组成式为cucrmn
0.99
la
0.01
o4。具体制备过程如下：按金属元素摩尔比1：1：0.99：0.01分别称取cuo（15.910g）、cr2o3（15.199g）、mno2（17.214g）、la2o3（0.326g）粉末；按球：料：水的质量比4：1：3，分别将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为400r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为400r/min，共计球磨9小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合物粉末干燥、研磨；再将研磨后的混合物粉末在箱式电阻炉空气氛围中升温至875℃煅烧，升温速率为11℃/min，煅烧时间为4.5小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到cucrmn
0.99
la
0.01
o4尖晶石材料。
32.对该cucrmn
0.99
la
0.01
o4尖晶石材料进行x射线衍射测试，可以看出所得材料具有cucrmno4尖晶石结构，且晶体结构与生长状态良好（如图2所示）。
33.取0.2g该cucrmn
0.99
la
0.01
o4尖晶石材料分别进行太阳能吸收率、红外发射率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在2~22μm波段的法向红外发射率为0.94，在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.91。
34.对该cucrmn
0.99
la
0.01
o4尖晶石材料进行电镜扫描，颗粒直径为100~700nm（如图3所示）。
35.实施例4一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其化学组成式为cucrmn
0.8
ce
0.2
o4。具体制备过程如下：按金属元素摩尔比1：1：0.8：0.2分别称取cuo（15.910g）、cr2o3（15.199g）、mno2（13.910g）、ceo2（6.884g）粉末；按球：料：水的质量比5：1：3，分别将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为500r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为500r/min，共计球磨12小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合物粉末干燥、研磨；再将研磨后的混合物粉末在箱式电阻炉空气氛围中升温至900℃煅烧，升温速率为13℃/min，煅烧时间为7小时，煅烧后空气淬火冷却至室温，即可得到cucrmn
0.8
ce
0.2
o4尖晶石材料。
36.取0.2g该cucrmn
0.8
ce
0.2
o4尖晶石材料分别进行太阳能吸收率、红外发射率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在2~22μm波段的法向红外发射率为0.90，在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.91。
37.实施例5一种具有电磁波调控功能的稀土掺杂尖晶石材料，其化学组成式为cucrmn
0.8
la
0.2
o4。具体制备过程如下：按金属元素摩尔比1：1：0.8：0.2分别称取cuo（15.910g）、cr2o3（15.199g）、mno2（13.910g）、la2o3（6.517g）粉末；按球：料：水的质量比5：1：3，分别将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为500r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为500r/min，共计球磨12小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合物粉末干燥、研磨；再将研磨后的混合物粉末在箱式电阻炉空气氛围中升温至900℃煅烧，升温速率为15℃/min，煅烧时间为7小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到cucrmn
0.8
la
0.2
o4尖晶石材料。
38.取0.2g该cucrmn
0.8
la
0.2
o4尖晶石材料分别进行太阳能吸收率、红外发射率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在2~22μm波段的法向红外发射率为0.92，在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.89。