一种光吸收材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及能源材料领域，尤其涉及一种光吸收材料及其制备方法。
背景技术
随着工业和科技的进步与发展，人类对能源的需求日益增加，能源短缺是当今世界面临的重大问题，利用节能环保新材料和新型可再生能源是解决上述问题的根本出路，这将成为未来材料发展的新方向。光吸收材料对紫外-可见光-近红外范围（0.3~2.5μm）的辐射有较高的吸收率，是实现光热转换的核心材料，可将太阳辐射转换为热能加以利用，应用于太阳能集热器和太阳能蓄热器。
尖晶石型过渡金属氧化物是一种重要的太阳能吸热材料，尖晶石型光吸收材料具有高的太阳能吸收率和热稳定性，刘刚、耿庆芬等申请的中国发明专利（授权公告号CN102286243B）《以尖晶石型颜料为吸光剂制备太阳能选择性吸热涂料的方法》中以金属硝酸盐和柠檬酸等为原材料，采用凝胶-凝胶自蔓延燃烧法制备得到蓬松粉末，经500℃煅烧1~2小时，经冷却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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构稳定、热稳定性良好的光吸收材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该光吸收材料的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种光吸收材料，其特征在于：该材料具有尖晶石晶体结构，其化学通式为CuMn2-yREyO4，其中RE为Ce或La，0≤y≤0.20。
如上所述的一种光吸收材料的制备方法，其特征在于：首先将CuO、MnO2、REOx粉末按1：2-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、研磨至至粒径≤700nm制得；所述REOx是指CeO2或La2O3；y的取值范围为0~0.20。
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。
所述烘干条件是指温度为75~85℃，时间为10~14h。
所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为800~1200℃，升温速率为3~10℃/min，煅烧时间为2~6小时。
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。
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Ce4+或La3+的掺杂改变原有CuMn2O4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。
2、本发明采用机械湿磨法混合、固相合成法烧结，可确保制备的材料金属元素充分混匀，具有操作简单、生产周期短、无需复杂的后处理且可实现工业生产等优点。
3、本发明制备的材料在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率≥0.90，在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
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。
图1为本发明实施例2制备的CuMn1.99Ce0.01O4的XRD图。
图2为本发明实施例3制备的CuMn1.99La0.01O4的XRD图。
图3为本发明实施例3制备的CuMn1.99La0.01O4的SEM图。
具体实施方式
一种光吸收材料，该材料具有尖晶石晶体结构，其化学通式为CuMn2-yREyO4，其中RE为Ce或La，0≤y≤0.20。
其制备方法：首先将CuO、MnO2、REOx粉末按1：2-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、研磨至至粒径≤700nm制得。
其中：REOx是指CeO2或La2O3；y的取值范围为0~0.20。
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。
烘干条件是指温度为75~85℃，时间为10~14h。
高温煅烧的条件是指煅烧温度为800~1200℃，升温速率为3~10℃/min，煅烧时间为2~6小时。
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。
实施例1 一种光吸收材料，其化学组成式为CuMn2O4。具体制备过程如下：
按金属元素摩尔比1：2分别称取CuO（15.910g）、MnO2（34.776g）粉末；按球：料：水的质量比（g/g）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小时得到混合物粉末；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800℃煅烧，升温速率为3℃/min，煅烧时间为2小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到CuMn2O4光吸收材料。
取0.2g该CuMn2O4光吸收材料，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）来评估该光吸收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0.90。
实施例2 一种光吸收材料，其化学组成式为CuMn1.99Ce0.01O4。具体制备过程如下：
按金属元素摩尔比1：1.99：0.01分别称取CuO（15.910g）、MnO2（34.602g）、CeO2（0.344g）粉末；按球：料：水的质量比（g/g）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7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1100℃煅烧，升温速率为5℃/min，煅烧时间为5小时，煅烧后空气淬火冷却至室温，即可得到CuMn1.99Ce0.01O4光吸收材料。
对该CuMn1.99Ce0.01O4光吸收材料进行X射线衍射测试，可以看出所得材料具有CuMn2O4尖晶石结构，且晶体结构与生长状态良好（如图1所示）。
取0.2g该CuMn1.99Ce0.01O4光吸收材料进行太阳能吸收率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.93。
实施例3 一种光吸收材料，其化学组成式为CuMn1.99La0.01O4。具体制备过程如下：
按金属元素摩尔比1：1.99：0.01分别称取CuO（15.910g）、MnO2（34.602g）、La2O3（0.326g）粉末；按球：料：水的质量比（g/g）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350r/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350r/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1100℃煅烧，升温速率为3℃/min，煅烧时间为6小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到CuMn1.99La0.01O4光吸收材料。
对该CuMn1.99La0.01O4光吸收材料进行X射线衍射测试，可以看出所得材料具有CuMn2O4尖晶石结构，且晶体结构与生长状态良好（如图2所示）。
取0.2g该CuMn1.99La0.01O4光吸收材料进行太阳能吸收率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.92。
对该CuMn1.99La0.01O4光吸收材料进行电镜扫描，结果显示粒径为50~700nm（如图3所示）。
实施例4 一种光吸收材料，其化学组成式为CuMn1.8Ce0.2O4。具体制备过程如下：
按金属元素摩尔比1：1.8：0.2分别称取CuO（15.910g）、MnO2（31.298g）、CeO2（6.884g）粉末；按球：料：水的质量比（g/g）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1200℃煅烧，升温速率为7℃/min，煅烧时间为6小时，煅烧后空气淬火冷却至室温，即可得到CuMn1.8Ce0.2O4光吸收材料。
取0.2g该CuMn1.8Ce0.2O4光吸收材料进行太阳能吸收率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.92。
实施例5 一种光吸收材料，其化学组成式为CuMn1.8La0.2O4。具体制备过程如下：
按金属元素摩尔比1：1.8：0.2分别称取CuO（15.910g）、MnO2（31.298g）、La2O3（6.517g）粉末；按球：料：水的质量比（g/g）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1200℃煅烧，升温速率为10℃/min，煅烧时间为6小时，煅烧后随炉冷却至室温，即可得到CuMn1.8La0.2O4光吸收材料。
取0.2g该CuMn1.8La0.2O4光吸收材料进行太阳能吸收率测试，测试方法同实施例1，结果显示该材料在0.3~2.5μm波段的太阳能吸收率为0.92。
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