超透明SiO2 气凝胶的制备及其在太阳能高温热利用中的性能研究

为解决聚光太阳能系统（CSP）中高温热损失问题，研究人员通过超临界CO2 干燥技术制备了超透明SiO2 气凝胶，系统研究了500-900o C高温对其光传输、隔热性能及微观结构的影响。结果表明，500o C处理5小时后气凝胶太阳能光谱加权透射率达93.8%，有效热导率仅0.08 W/(m·K)，但在900o C以上纳米孔结构会显著退化。该研究为CSP系统高效透明隔热材料开发提供了重要依据。

　　

在全球能源转型背景下，聚光太阳能（CSP）技术因其低碳特性和电网调峰能力备受关注。然而，当系统温度提升至700^o
C以上以实现超临界CO₂
循环高效运行时，太阳能接收器的热损失急剧增加。透明SiO₂
气凝胶凭借其独特的三维纳米网络结构，既能透射太阳辐射又能有效隔热，理论上可大幅降低热损失。但现有研究面临两大瓶颈：一是传统干燥工艺难以制备兼具高透明性（>90%）和完整性的块体气凝胶；二是高温环境下气凝胶性能演变规律尚不明确。

针对这些问题，郑州轻工业大学的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，采用超临界CO₂
萃取干燥工艺成功制备出块状超透明SiO₂
气凝胶，并系统考察了500-900^o
C高温处理对其性能的影响。研究通过光谱分析、热导率测试、扫描电镜等技术手段，揭示了温度-结构-性能的关联机制。

关键技术方法
研究采用超临界CO₂
干燥技术解决湿凝胶开裂难题；通过控制TMOS水解-缩聚反应调控孔径分布；使用紫外-可见分光光度计测定太阳能加权透射率；采用热线法测量不同温度下的有效热导率；借助SEM和BET分析微观结构演变。

研究结果

光传输特性
500^o
C热处理5小时后，具有5-10 nm介孔的气凝胶实现93.8%的太阳能加权透射率，比原始样品提高12.6%。高温促使硅氧网络重排，减少光散射中心，但900^o
C时孔径粗化导致透射率骤降。

热绝缘性能
100^o
C时热导率低至0.08 W/(m·K)，但随着温度升高，气凝胶固态传导和辐射传热增强，800^o
C时热导率升至0.15 W/(m·K)。

微观结构演变
BET分析显示500^o
C处理样品比表面积保持580 m²
/g，而900^o
C时骤降至210 m²
/g，表明纳米孔结构发生不可逆坍塌。

聚光太阳能实验
在5倍聚光比下，气凝胶覆盖的接收器停滞温度达640 K，较石英玻璃提高24.3%，证实其优异的透明隔热性能。

结论与意义
该研究首次阐明高温对透明SiO₂
气凝胶性能的双重影响：适度升温（500^o
C）可优化透光性，但会牺牲隔热性能；超过900^o
C则导致纳米结构失效。提出的超临界CO₂
干燥工艺为批量制备超透明气凝胶提供了可行方案，其5倍聚光下的实测性能验证了在CSP系统中的实用价值。未来通过表面改性抑制红外辐射传热，有望突破现有温度限制，推动下一代高温CSP技术发展。