钴铬铜复合离子掺杂黑色玻璃的制备及光吸收特性研究.pdf

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1、５２２０１４，Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１１化学与生物工程Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－５４２５．２０１４．１１．０１２钴铬铜复合离子掺杂黑色玻璃的制备及光吸收特性研究１１２２刘晓霞，刘伟明，戴能利，吴刚城（１．江汉大学文理学院，湖北武汉４３００５６；２．华中科技大学，湖北武汉４３００７４）摘要：以钠硼硅玻璃为基质，引入过渡金属离子为着色剂制备了单一离子着色玻璃和复合离子掺杂黑色玻璃，测定了各玻璃样品的透射光谱。结果表明，不同过渡金属离子对不同波段的太阳光产生吸收，钴

2、铬铜复合离子掺杂黑色玻璃对到达地表的所有太阳光波段的吸收率可达到９９％以上。关键词：钴铬铜复合离子；光吸收；黑色玻璃中图分类号：ＴＱ１７１．７３３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２５４２５（２０１４）１１００５２０３太阳能是目前所知的无污染且可无限供应的环保达地表的太阳光都能完全吸收。［１４］能源，其利用受到广泛的关注。太阳能热水器的集高吸收黑色玻璃是一种着色玻璃，玻璃的着色方［８１２］热装置可以吸收太阳光，并将光能转化为热能对水进法各不相同，主要有：（１）离子着色法：在玻璃基质行加热。热水器的关键组件真空集热管是一

3、种管内镀中加入单一或复合金属离子；（２）金属胶体着色法：在有选择性吸收膜层的玻璃管，管内镀膜成本较高，膜层玻璃基质中掺杂金银铜等金属，这些金属经过热处理存在不牢固现象，从而影响热水器的使用寿命。若能后形成金属胶体粒子从而实现玻璃着色；（３）辐射着色直接采用高吸收黑色玻璃实现光热转换，且对太阳光法：在电磁辐射或能量粒子的作用下实现玻璃着色。吸收效率较高甚至超过现有膜层，则有望成为选择性其中离子着色法因为工艺流程简单、成本较低等优势吸收膜的有效替代品，可简化集热装置的生产工艺，从应用广泛。掺杂不同离子的玻璃，对光的吸收波段各而极

4、大地降低成本并增加环保节能产品太阳能热水器不相同，理论上对到达地表的太阳光的每一个波段都［５］应能找到特定的离子掺杂玻璃实现较高的吸收。离子的市场占有率。熊珍国已就此设想申请了专利，但并没有说明使用什么样的高吸收玻璃来实现光的吸着色法中引入的离子可以是稀土，也可以是过渡金属。收。稀土离子因着色后对光的吸收率较低导致着色不深，颜色玻璃的研究较多，但对高吸收黑色玻璃的研而且成本较高，应用较少。因此，作者采用成本相对较究较少，且都集中在黑色装饰微晶玻璃方面［６７］，这些低、着色后对光的吸收率较高的过渡金属离子作为着研究主要强调其

5、装饰作用，对光的吸收方面只要求在色剂，通过掺杂过渡金属复合离子制备了对到达地表可见光波段完全吸收或基本完全吸收，即从表观上看的太阳光全波段有很高吸收率的黑色玻璃。是黑色，至于对整个太阳光波段的光吸收情况并未进１实验行研究和说明。地表太阳光能量的分布包含紫外区、可见光区和１．１试剂与仪器红外区，波长范围为２００～２５００ｎｍ，其中绝大部分能玻璃基质组分为ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３和Ｎａ２Ｏ，分别以量集中在３００～２０００ｎｍ范围内。要将高吸收黑色玻ＳｉＯ２、Ｈ３ＢＯ３和Ｎａ２ＣＯ３的形式引入，各试剂均为分璃用于太阳能吸收利用的装置上，

6、需要满足黑色玻璃析纯。玻璃基质组分ｎ（ＳｉＯ２）∶ｎ（Ｂ２Ｏ３）∶ｎ（Ｎａ２Ｏ）对整个太阳光波段具备较高的光吸收特性，即所有到＝６０∶１５∶２５。基金项目：武汉市市属高等学校２０１３年产学研结合项目（１９），江汉大学文理学院院级课题（２０１４ＹＫ３４）收稿日期：２０１４０６２３作者简介：刘晓霞（１９７９－），女，湖南岳阳人，副教授，主要从事化学教学与研究，Ｅｍａｉｌ：４１７２４９００２＠ｑｑ．ｃｏｍ。刘晓霞等：钴铬铜复合离子掺杂黑色玻璃的制备及光吸收特性研究／２０１４年第１１期５３掺杂的着色剂种类有钴、铬、铜离子，分别

7、用氧化钴、三氧化二铬、氧化铜、氧化亚铜的形式掺杂，且各掺杂物均为分析纯。玻璃熔炉和退火炉，上海意丰电炉公司。玻璃熔炉采用ＳＳＸ系列硅钼棒高温箱式电阻炉，额定功率１０ｋＷ，额定温度１６００℃。退火炉使用ＳＸ２１０００系列箱式电阻炉，退火炉的加热物质为铁铬铝电加热合金线，额定温度１０００℃。图２Ｃｏ２＋掺杂颜色玻璃的透射光谱Ｕ３３１０型双光束紫外分光光度计，ＯＭＮＩＣ型傅２＋Ｆｉｇ．２ＴｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｃｏｌｏｒｅｄｇｌａｓｓｄｏｐｅｄｗｉｔｈＣｏ立叶近红外光谱仪。１．２方法段、４５０～７００ｎｍ

8、波段和１１００～２２００ｎｍ波段，且这玻璃制作的工艺流程如图１所示。些波段的吸收率均在９９％以上。３＋２．１．２Ｃｒ掺杂６＋铬离子有三价和六价两种价态，温度较高时Ｃｒ稳定性很差，所以在铬离子掺杂的颜色玻璃中铬的存在形式通常为Ｃｒ３＋。实验掺杂的Ｃｒ３＋与玻璃基质的物质的量比为１∶１００，Ｃ