基于纳米二氧化钼光热涂层的太阳能空气集热器性能研究

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Performance study of solar air collectors based on nano-molybdenum dioxide photothermal coating

　　

摘要

针对农业太阳能空气集热器中光热转换效率低以及缺乏低成本高性能吸热涂层——商用选择性涂层价格昂贵、普通黑色涂料高温稳定性差，且对MoO₂纳米颗粒（NPs）在农业集热器中的系统性研究尚属空白——这一瓶颈问题，本研究开发了一种高效低成本的MoO₂ NPs光热涂层，并评估了其在不同集热器构型下的热性能。MoO₂采用工业干法制备，并手工涂覆于平板、弧形板、V形折叠板和V形开孔板四种铝质吸热板上，组装成太阳能空气集热器。材料采用SEM、XRD、XPS和EDS进行表征，同时通过紫外-可见-近红外光谱和FTIR光谱测量，涂层吸光率为0.93，发射率为0.88。户外测试表明，V形开孔板集热器表现最优，出口温度峰值达到75°C，在辐照度899 W/m²下瞬时效率为80.8%，停滞温度为84°C。主要发现：MoO₂ NPs涂层显著提高了所有结构类型的效率，其中V形开孔板提供了最佳的协同增强效果；在氙灯加速老化测试下，涂层吸光率未出现退化，显示出优异的耐久性。本研究为农业干燥和温室加热用低成本高性能太阳能集热器的开发提供了可靠的实验依据。

引言

随着中国农业设施的快速发展，温室加热和农产品干燥等领域的能源消耗不断攀升[1]、[2]。据统计，加热费用占农业设施运营成本的30%–50%，而煤炭和天然气等化石燃料仍是主要能源。这不仅导致成本高企，还造成了显著的碳排放和环境污染[3]、[4]。太阳能作为清洁能源和可再生能源，在农业领域的应用前景广阔[5]、[6]、[7]。特别是太阳能空气集热器——凭借其结构简单、无冻害风险、可直接产生热空气等优势，已在温室加热、粮食干燥和中药材干燥等场景中初步应用[8]、[9]、[10]。然而，现有平板式空气集热器的光热转换效率普遍较低，在低太阳辐照度或低环境温度下难以持续产生符合农业生产要求的热空气（通常需要50–70°C的温度）[11]、[12]。因此，开发高效低成本吸热涂层以提高太阳能集热器捕获和转换太阳能的能力，已成为当前农业太阳能热利用技术升级的关键[11]。吸热涂层的核心功能是在太阳光谱（0.2–2.5 μm，涵盖紫外、可见和近红外区域）范围内实现尽可能高的光吸收，从而将入射的太阳能高效转换为热能[13]。理想的吸热涂层应具有宽光谱范围和高吸收率[14]。目前，商用选择性吸收涂层（如黑铬和蓝膜）具有良好的吸收性能；但其制造工艺复杂、设备成本高[15]、[16]，导致涂层成本相对较高，限制了其在低成本农业应用中的广泛推广[17]、[18]。标准商用黑色涂料（如耐高温哑光黑漆）价格便宜，可实现约0.90的吸收率。然而，其在高温条件下的光热稳定性较差，且光谱吸收特性不够理想，影响了集热器的整体效率和服务寿命[19]。

近年来，纳米材料在光热转换领域展现出独特优势[20]、[21]。贵金属纳米颗粒（如金和银）可因局域表面等离子体共振效应而强烈吸收可见光[22]，但其价格过于昂贵，不适合农业应用[23]。过渡金属氧化物（如氧化钼、氧化钨和氧化钛）凭借其可调的带隙结构、优异的化学稳定性和独特的等离子体响应特性，已成为低成本光热材料研究领域的热点[24]。尤其是MoO₂，作为一种亚化学计量比氧化物，具有类金属导电性，在可见-近红外区域表现出强吸收特性[25]，且来源广泛，可用相对简单的方法制备。先前的研究报告表明，MoO₂粉末在太阳能水蒸发、光热灭菌和光热治疗等应用中表现出优异的光热转换效率[26]、[27]。同时，面向结构应用的多聚物基复合材料力学性能优化也受到了广泛关注[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。然而，目前关于将此方法系统应用于太阳能空气集热器表面涂层，或针对农业应用进行全面的"材料–涂层–设备–应用"性能评估的报道尚不多见[34]。

为弥补这一研究空白，本文提出采用自制的MoO₂ NPs（平均粒径约30 nm）作为光热吸收材料，通过手工涂覆工艺制备太阳能空气集热器的吸热涂层。本研究的创新主要体现在以下三个方面：(1) 材料创新：这是工业级干法生产的MoO₂ NPs首次应用于太阳能空气集热器的固态光热涂层，为该材料在光热转换领域开辟了新的应用方向。(2) 结构协同创新：系统比较了四种不同吸热板结构（平板、弧形板、V形折叠板和V形开孔板）与MoO₂ NPs涂层的匹配性，揭示了V形开孔板结构对光热转换效率的协同增强机制。(3) 应用创新：针对农业干燥和加热的实际需求，在真实户外条件下完成了"材料–涂层–设备–应用"全链条性能评估，为低成本高性能农业太阳能集热器的开发提供了实验支持。基于此，本研究的主要内容如下：(1) 对MoO₂ NPs的微观结构、晶体结构和化学价态进行系统表征。(2) 测量涂层在太阳光谱范围内的吸收性能，评估其光热转换潜力。(3) 测试MoO₂ NPs涂层空气集热器在真实户外条件下的热性能（瞬时效率、停滞温度等）。(4) 考虑农业干燥和加热的实际需求，分析涂层在农业太阳能热利用中的适用性和经济性。

章节摘要

MoO₂ NPs的制备

采用工业干法制备了灰紫色纳米二氧化钼，具体步骤如下：将15管炉在五个平均温度测量点预加热至470°C。将160 g白色纳米MoO₃ NPs粉末（直径30 nm）均匀铺在料舟中，厚度约为1 cm，通过进料口将料舟推入15管炉。以5 L/min的流量持续通入H₂作为

微观结构分析与相分析

图2为纳米二氧化钼粉末的SEM图像。所制备的纳米颗粒呈现多模态粒径分布，大致由大、中、小三种粒径组成；虽然粒径有所差异，但均处于纳米尺度范围内。

图3为XRD图谱。使用Avantage软件对粉末进行综合分析，结果显示主要元素为Mo、O和C，表明两种粉末主要由氧化钼组成，没有

结论

• (1)
  采用干法成功实现了平均粒径约30 nm的MoO₂ NPs的工业化规模生产。XRD和XPS等表征技术证实，这些颗粒主要由单斜相MoO₂ NPs组成，主要价态为+4，并含有少量Mo_4O11 NPs。通过手工涂覆制备的MoO₂ NPs涂层表面均匀致密，太阳吸收系数α = 0.93。
• (2)
  发射率

CRediT作者贡献声明

赵旭：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，方法论。刘江豪：写作 – 初稿撰写，方法论，数据管理。吴中凯：方法论，调查研究。贾乔：写作 – 审阅与编辑，数据管理。陈罗成：资源提供，经费获取，概念构思。刘毅：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，数据管理。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

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