不同碳同素异形体对CoCuMnOx太阳能选择性涂层

~工程科学与技术，国际期刊33（2022）101086不同碳同素异形体对CoCuMnOx太阳能选择性涂层FatmaTaha，Nahed El Mahallawya，Madiha Shoeibba设计和生产工程系，工程学院，艾因夏姆斯大学，1 Elsarayat街，Abbaseya，开罗11517，埃及b埃及开罗11421 El-Tebbin Elfelezat街1号Helwan 87号邮政信箱，中央冶金研究与发展研究所（CMRDI）表面保护和腐蚀控制部阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年7月11日收到2021年10月7日修订2021年12月12日接受2021年12月25日在线提供保留字：碳同素异形体光学性质光谱选择性表面粗糙度二氧化硅A B S T R A C T本文采用低能耗的“溶胶-凝胶法”研究了CoCuMnOx太阳能选择性涂层中不同碳的存在形式使用碳作为添加剂在CoCuMnOx是一种尝试，以提高光谱选择性。将碳的四种同素异形体（石墨烯纳米片（GNP）、碳纳米管（CNT）、石墨和木炭）以不同浓度嵌入选择性涂层中，然后沉积在光滑和粗糙的不锈钢片上。在另一个尝试，以提高CoCuMnOx的选择性，三种不同的涂层（二氧化硅，木炭@二氧化硅，和CNT@二氧化硅）分别施加在它的顶部。每个碳同素异形体显示出不同的结构和光学性能的涂层。使用木炭作为添加剂实现了0.964的太阳能吸收率和0.095的热发射率，从而提供了优于其他同素异形体的光学性能。用X射线衍射仪、能谱仪和扫描电子显微镜对涂层进行了表征。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍任何太阳能集热器的热效率都可以由入射太阳辐射的总热增益来确定，该总热增益被转换为准备使用的可用能量。吸收板是非聚光太阳能集热器的关键部件，因为它直接处理太阳因此，改善其光学特性将提高整个系统的效率通过增加太阳能吸收率（a）和降低热发射率（e）可以改善光学性质，从而增加选择性。太阳能选择性涂层可以很容易地达到这个目的。CoCuMnOx尖晶石薄膜是最常用的太阳能选择性涂层之一，因为它可以使用称为溶胶-凝胶技术的低成本生产方法制备[1另一方面，碳以几种形式（同素异形体）存在，具有不同的物理和化学性质，并已用于许多太阳能选择性应用[6例如，Šest等人使用少量改性的石墨烯纳米片作为太阳能选择性涂层的添加剂，并证明了其在增强涂层耐腐蚀性方面的重要作用[16]。将石墨烯沉积在石英基底上，然后将石墨烯沉积在石英基底上。*通讯作者。电子邮件地址：12015@eng.asu.edu.eg（F. Taha）。由Karabuk大学负责进行同行审查沉积铜和另一个石墨烯层，导致0.91的吸收率和0.22的发射率，如Selvaku-mar等人[17]所报道的。利用喷涂技术，Abendrothet al.[18]在镀铜不锈钢上沉积CNT然后将样品浸在二氧化硅中，达到100%的吸收率。0.92 和0.09的发射率。根据Martinezet al. [19]，碳纳米管板被认为是太阳能选择性涂层，其中涂覆有十层致密碳纳米管的石英载玻片足以实现高达94%的高吸收。此外，建议在涂层顶部沉积一层溶胶-凝胶氧化物，以将发射率从0.7降低到小于0.1。此外，Chenet al.通过电泳沉积在铝基底上施加不同类型的CNT，结果显示CNT可以被认为是具有0.9的吸收率和0.13的发射率的良好的太阳能选择性涂层[13]。Cardenas进行了将石墨-二氧化硅复合材料沉积到铝基板上的理论计算，考虑了石墨的体积分数和复合层的厚度[20]。结果显示太阳吸收率为0.81，热发射率为0.033。早在20世纪70年代，石墨在真空中蒸发，并使用电子束枪沉积在铜基底上，产生吸收率为0.743和发射率为0.013的太阳能选择性薄膜[21]。将来自有机材料的碳纳米颗粒嵌入太阳能选择性涂层中，然后施加https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.1010862215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchF. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010862●-通过旋涂工艺将其涂覆到铝基板上。结果表明，C-NiO溶胶-凝胶法制备的涂层的吸收率为0.93 和0.10的发射率[22]。本研究是早期工作的延伸，其中CoCuMnO x太阳能选择性涂层是用不同的前体浓度、不同的层数制备的，以不同的提取速率施加到不锈钢板上，并在不同的温度下进行热处理[23]。结果表明，在摩尔比除以60、双层涂层、1.5cm/min、450 °C条件下，获得了最佳的光谱选择性。据我们所知，使用碳作为添加剂，CoCuMnOx涂层以前没有研究过，更不用说不同碳同素异形体的光谱特性了。在这项工作中，几个太阳能选择性涂料适合于低-中温应用（家庭应用，如水加热和空间加热）的发展。在溶胶-凝胶法制备CoCuMnOx的过程中，分别添加了四种不同的碳同素异形体（GNP、CNT、石墨和木炭）。随后，通过浸涂工艺将它们沉积在不锈钢板（SAE 304）上。通过改变添加剂的质量分数和基底的表面粗糙度来优化所制备的涂层的光学性能。此外，三种不同的二氧化硅涂层的光学性能的应用在前面描述的CoCuMnOx涂层的顶部进行了研究。2. 材料与实验方法将基材从SAE 304不锈钢板切割成30*100 mm尺寸，厚度为1.5mm最初，使用喷砂机（GREAT-CAB磨料喷砂设备30 S）对基底进行喷砂，以将表面粗糙度从0.3 μm增加到平均1.35 μm. 用TIMETR110表面粗糙度测试仪测量粗糙度此后，清洁样品以准备涂覆。将它们在丙酮中在ISOLAB超声波浴中清洗10分钟，用蒸馏水冲洗，最后用空气干燥器干燥将四种不同的碳同素异形体（CNT、GNP、木炭粉和石墨粉）分别添加到简单的CoCuMnOx涂层溶液中。Co：Cu：Mn前体摩尔比分别为1：3：3，并且将这些金属醇盐溶解在固定量的溶剂（乙二醇和无水乙醇）中。在水解聚合过程之后，CoCuMnOx包覆-如[3] 和[4] 中所述，获得了。如前面介绍部分所述，使用普通CoCuMnOx的最佳情况的工艺参数施加所制备的涂层[23]。通过添加以下添加剂来制备涂层溶液：1. 细颗粒（纳米级）：CNT以0.05重量%、 0.1重量%和0.5重量%的量加入，GNP以0.05重量%、0.1重量%和0.5重量%的量加入。2. 粗颗粒（微米级）：● 以1、3和5wt%的量加入木炭粉● 石墨粉末以1、3和5重量%的量加入。应注意，添加剂重量比与加热前溶液的重量成比例。通过用P1000砂纸研磨木炭获得木炭粉末，得到平均尺寸为5.12μ m的颗粒。所用石墨粉末的平均粒度为14.52 μm。关于细颗粒，所使用的CNT具有以下规格：多壁碳纳米管>90%碳基，D ×L 110-170 nm ×5-9 l m。所用GNP的颗粒（M级）具有约6-通过以1.5cm/min的速率将样品浸入溶液中，然后在浸渍5分钟后以相同的速率取出样品来涂覆样品然后将样品在450°C下热处理30分钟。最后，重复浸涂和热处理过程以施加具有相同参数的第二涂层。另一组样品涂覆有基本的CoCuMnOx涂层，但具有（SiO2、CNT@SiO2和煤焦@SiO2）的顶层。根据参考文献110中描述的相同程序制备SiO2顶涂层[24]. 然后将样品浸入该溶液中，以lcm/min取出，并在100 °C下干燥30分钟。按照[25]中描述的相同程序制备CNT@SiO2和Charcoal@SiO2。在搅拌溶液后立即开始浸涂过程。以lcm/min的速率对样品进行拉伸，并在75°C下干燥30分钟。3. 表征和测试研究了以吸收率和发射率表示的光学性质。在每个样品的涂覆区域的三个不同点中检查每个样品。那么，计算每种情况的两个样品。使用PG仪器有限公司的T90 + UV/VIS光谱仪收集所制备样品的反射率（R%）的测量值。根据能量守恒定律和基尔霍夫由于涂层被施加到不透明基材上，因此可以假设s= 0。关于发射率（e），使用ThermoFinnigan FT-IR光谱仪Nicolet 380收集IR光谱中的反射率测量值。随后，使用式（a）0.5*e）[27]。对于相鉴定，使用Bruker d8 Advance测定涂层的XRD图案此外，使用FEI-INSPECT S50设备通过SEM/EDX检查研究了一些独特样品的表面形貌。4. 结果和讨论为了评估碳同素异形体添加的效果，有必要定义普通CoCuMnOx涂层的光学性质。如[23]所述，CoCuMnOx涂层的吸收率为0.906，发射率为0.116，前体摩尔比除以60，1.5cm/min的抽出速率，双涂层，和450℃的热处理温度。4.1. 碳浓度和衬底粗糙度对光学性能在其他条件不变的情况下，考察了碳质量分数的变化对吸收率的影响研究了三种不同的浓度：对于纳米颗粒碳同素异形体（CNT和GNP）为0.05、0.1和0.5重量%，对于粗颗粒同素异形体（木炭和石墨）为1、3、5重量%。图 1显示了增加碳浓度对两种不同基底粗糙度值（0.3 m m和1.35m m）的吸收率的影响。 如可见于图在图1a和b中，通常存在通过增加纳米颗粒碳添加剂的量来增加吸收率的趋势。随着纳米颗粒添加剂的质量分数从0.05wt%增加到0.5wt%，在粗糙基底情况下，CNT的吸收率增加了3%，GNP增加了2%关于基板粗糙度对吸收率的影响●F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010863图1.一、在使用光滑和粗糙不锈钢基底的情况下，在CoCuMnOx涂层中添加不同量的（a）CNT、（b）GNP、（C）木炭和（d）石墨对吸收率的影响当施加到光滑表面而不是粗糙表面时，CNT表现得更好。而以国民生产总值为添加剂时，则无显著变化。图1c显示，当与本研究中提出的所有其他添加剂相比时，吸收率随着木炭浓度的增加而显著增加，而随着石墨浓度的增加没有显著变化，如图所示。1天。当木炭的浓度从0.05wt%增加到0.5wt%时，在粗糙化基底的情况下，吸收率增加9%增加基底粗糙度对吸收率没有显著影响，这可能是由于粗糙颗粒引起的粗糙度在增加碳浓度对发射率的影响方面，图2显示发射率值随着纳米尺寸的碳同素异形体（CNT和GNP）增加，在CNT光滑衬底的情况下，减少更明显。 图图2C和图2D示出了增加粗粒度添加剂的浓度如何影响发射率。当煤焦浓度从1wt%增加到5wt%时，粗糙基片的发射率下降了7%，光滑基片的发射率下降了9%。在石墨添加剂的情况下，粗糙基板的发射率增加，并且在光滑基板的情况下没有显著变化。目前的结果表明，一般来说，表面粗糙度的增加伴随着发射率的降低-这是理想的，特别是在低添加剂浓度（0.05重量%）的情况下。例如 ， 当 衬 底 的 表 面 粗 糙 度 从 0.3 增 加 到 1.35μ m 时 ， 具 有 CNT-CoCuMnOx涂层的样品的发射率达到63.7%的相对降低。从这些发现中，值得一提的是，当将碳同素异形体施加到光滑的表面上F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010864图二.在使用光滑和粗糙不锈钢基底的情况下，在CoCuMnOx在所有情况下，无一例外地，衬底都比粗糙衬底更粗糙。这突出了增加基底的粗糙度对发射率的积极影响，这可能是由于热辐射保留在基底的粗糙表面的孔中。虽然表面粗糙度和发射率之间的关系似乎没有得到太多的关注，研究人员指出，这方面的少数研究证实了表面粗糙度及其类型对发射率的显著影响[28至于选择性，其值倾向于随着纳米尺寸的碳的浓度的增加而增加，如图3a和b中所观察到的，并且在粗糙衬底的情况下比在光滑衬底的情况下获得更高的值。然而，在光滑基底的情况下，增加率较高。随着CNT质量分数从0.05wt%增加到0.5wt%，粗糙和光滑基底的选择性分别增加了4%和11%。作为对于GNP添加剂，对粗糙和光滑基底的选择性分别增加2%和5%图3c表明，光谱选择性随着木炭质量分数的增加而显著增加，并且对于5 wt%的浓度达到92%关于图3d，其显示当使用粗糙化基底时随着石墨的质量分数从1重量%增加到5重量%，选择性略微降低，并且在光滑基底情况下变化可忽略。总之，所有浓度的研究添加剂在粗糙基材中的选择性值均高于光滑基材。随着基底粗糙度的增加，选择性的最大变化是对于1重量%石墨的情况，其获得了13%的选择性增加。基于目前的结果和讨论，可以说，粗糙化的基板上的光学性能具有有益的效果。粗糙化基底在F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010865图三.在使用光滑和粗糙不锈钢基底的情况下，在CoCuMnOx涂层中添加不同量的a）CNT、b）GNP、C）木炭和d）石墨对光谱选择性增强表面的光谱选择性先前由Konttinen等人保证。[32]. Yianoulis等人[33]采用了相同的假设，其中指出，表面粗糙度的降低会导致光学特性的劣化这种恶化是由于光波的反射率增加，这些光波从两侧（样品外部和内部）撞击到材料与周围大气之间的界面表面4.2. 在CoCuMnO_x涂层上添加SiO_2层和碳@SiO_2对粗糙和光滑基底光学性能的影响图4说明了顶涂层（木炭@二氧化硅、CNT@二氧化硅和纯二氧化硅）的光谱特性如何不同。CNT@二氧化硅实现了最高的吸收率，无论使用的基底是粗糙的还是光滑的，都具有100%的太阳能吸收率的惊人结果。而具有二氧化硅顶层的CoCuMnOx双层涂层排在第二位，当施加到光滑基底上时，吸收率为97.9%。至于粗糙化和光滑基材的比较，发现表明光滑基材优于粗糙化基材，尤其是在木炭@二氧化硅的情况下，因为当施加在粗糙化表面的顶部时，吸收率降低了3.8%，参见图4a。这可能是由于木炭颗粒在粗糙表面的凹槽中沉降，从而产生更光滑的表面，而粗颗粒在光滑表面上产生粗糙度。如图所示，与粗糙化的基底相比，将这些顶层施加到光滑的基底上对发射率具有实质性的负面影响。 4 b. 二氧化硅顶涂层受增加基底粗糙度的影响最大，因为发射率提高了49.9%的相对降低而相对木炭@二氧化硅的降低为46.5%，CNT@二氧化硅的降低为18.9%。根据前两节中给出的结果，正如预期的那样，粗糙基底情况下的选择性得分高于光滑基底情况下的选择性得分，参见图4c。二氧化硅和CNT@二氧化硅最终获得相同的选择性值，因为它们的吸收率值的差异被它们的发射率值抵消。他们都实现了81%的选择性使用粗糙的基板。这是六个病例中达到的最高选择性在顶部涂层部分中。4.3. 涂层表征为了确定每种涂层中的所得化合物，进行了X射线衍射（XRD）检查在八个样品上，每种涂层组合物的选择性最好，如图所示。图5. 6，表1。 图图5示出了四个涂层，每个涂层具有嵌入在普通CoCuMnO x涂层中的不同的碳同素异形体。虽然图6显示了四个另外的涂层，每个涂层由三层组成：CoCuMnOx涂层的双涂层和（a）二氧化硅，（b）木炭@二氧化硅，(c)CNT@二氧化硅（粗糙基底）和（d）CNT@二氧化硅（光滑基底）。如图5所示，涂层的相组成主要由CoCuMnOx、碳、铁和铁奥氏体组成。在木炭添加剂的情况下，相组成由尖晶石（Cu、Ni、Mn）、Mn3O4、碳、铁和铁奥氏体组成。表1显示了这四种涂层的微晶尺寸。GNP涂层（情况1）和CNT涂层（情况2）的平均晶体尺寸几乎相等，而情况4具有稍大的晶体尺寸，情况3是最大的关于图6所示的四种涂层，相组成主要由CoCuMnOx、铁和铁奥氏体组成。例5中检测到石英（SiO2），而例6、7和8中存在碳。通过比较情况7与情况8，可以推断，增加衬底粗糙度反映在较小的晶体尺寸上，并最终积极影响发射率，其降低了8.8%，从而使选择性增加了4%。还注意到，在表1中所示的平均晶体尺寸中，将涂层施加到光滑基底上的情况8具有最大的晶体尺寸（78.7nm）。这可能是因为较小的表面粗糙度值具有较少的成核位点，从而在热处理过程中产生较大的晶体。用扫描电子显微镜（SEM）研究了表面形貌，试图找出单纯改变碳的形态而获得不同光学性能的原因。图7-14显示了八种涂层的不同表面形貌和每种涂层的元素分析。SEM图像说明了不同碳形式在改变涂层结构中的作用，从而影响其光学性质。在图7a中，可以看出，嵌入CoCuMnOx中的0.5重量%的GNP在由于粗糙化的基底而发现的多孔结构内形成扭曲和褶皱形状的石墨烯。这结构导致在适当光学性质（a= 0.912，e= 0.128，和85%的选择性）。CoCuMnO x结构中0.1wt%的CNT由于粗糙化的衬底而形成复杂的连接，除了深腔之外，如图8a所示，导致合理的光学性质（a= 0.890，e= 0.109，以及84%的选择性）。嵌入在CoCuMnO x中的1重量%的石墨的SEM图像揭示了具有不规则破裂片和浅孔的不均匀形貌，如图1所示。 9 a，证明其与其他研究的碳同素异形体相比的较差光谱选择性（a = 0.909，e = 0.151，和83%的选择性）。在图10a中，木炭-CoCuMnOx涂层（5wt%木炭F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010866见图4。将木炭@二氧化硅、CNT@二氧化硅和二氧化硅层添加到CoCuMnOx涂覆的不锈钢（光滑和粗糙）上对（a）吸收率（b）吸收率（c）选择性的影响。这有助于锁定大量吸收的太阳辐射，证明其优越的光学性质（a=0.964，e= 0.095，选择性为92%）。如图11a所示，在两层CoCuMnOx上使用粗糙化基底的二氧化硅（SiO2）顶涂层产生了不同的形貌。所描绘的表面类似于具有凸起和小深孔的海绵状结构，其明显地增强了入射太阳辐射的捕获，以实现0.964的吸收率。然而，这种结构促进了热发射的释放，达到0.305的发射率，最终达到81%的选择性。描绘了在两层CoCuMnOx上涂覆的木炭@SiO2顶层的形貌，如图12a所示，粗糙化的基底显示出具有宽的浅腔和不规则形状的不均匀表面。因此，证明了其与其他制备的太阳能选择性表面相比相对较差的光学性质（a= 0.867，e= 0.294，选择性为72%）。图13a和图14a显示了在相同条件下处理的相同涂层组合物（在两层CoCuMnOx上的CNT@SiO2）的表面形貌，不同之处在于基材表面粗糙度。尽管情况7和8都实现了100%的吸收率，但粗糙化基底设法获得比光滑基底更低的发射率。如图13a所示，粗糙化的基底形成具有高低的不均匀涂层形貌，其可以保留吸收的热能，F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010867图五.用两层CoCuMnOx涂覆的四个不锈钢样品的XRD分析，其中四种不同的碳同素异形体嵌入：1）GNP，2）CNT，3）石墨和4）木炭中。图六、涂有两层CoCuMnOx和顶层的不锈钢样品的XRD分析：5）SiO2，6）Charcoal@SiO2，7）CNT@SiO2（粗糙基底），和8）CNT@SiO2（光滑基底）。表1一些选定样品的涂层的晶体尺寸和由此产生的选择性。案件编号涂料配方层数avg. 晶体尺寸（nm）一e选择性（%）情况1GNP-CoCuMnOx2（塞尔维亚a）26.50.9120.12885壳体2CNT-CoCuMnO_x2（塞尔维亚共和国）26.30.890.10984壳体3石墨-CoCuMnOx2（塞尔维亚共和国）29.170.9090.15183壳体4活性炭-CoCuMnOx2（塞尔维亚共和国）26.930.9640.09592壳体5SiO2/CoCuMnOx3（塞尔维亚共和国）310.9640.30581壳体6活性炭@SiO2/CoCuMnOx3（塞尔维亚共和国）40.670.8670.29472壳体7CNT@SiO2/CoCuMnOx3（塞尔维亚共和国）46.4310.37881壳体8CNT@SiO2/CoCuMnOx3（SSb）78.710.46677F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010868aRS是指粗糙的基底（表面粗糙度（Ra）= 1.35m m）。bSS是指光滑基材（表面粗糙度（Ra）= 0.3m m）。F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010869见图7。 (a)SEM图像（b）实例1（涂覆有两层CoCuMnOx的粗糙不锈钢，其中嵌入有0.5重量%的GNP）的EDX分析。从而减少热排放。另一方面，图14a中的光滑基底形成了均匀的涂层形貌，在高放大倍数下具有明显的裂纹，导致更高的热发射率。在[34]中，有人说，基板粗糙度增加，涂层的抗破裂性或抗刮除性，其随后影响涂层的光学性质。为了理解和阐明基板表面粗糙度对光学性能的直接影响，F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108610见图8。 (a)SEM图像（b）案例2（涂覆有两层CoCuMnOx的粗糙不锈钢，其中嵌入有0.1重量%的CNT）的EDX分析。裸不锈钢样品在450 ℃下退火30分钟，与涂覆样品相同的热处理。此外，未退火的光滑和粗糙的裸样品的光学性质进行了研究。如表2所示，增加表面粗糙度提高了不锈钢的光学性能。未退火的样品具有23%的发射率相对增加，18.4%的发射率相对降低，和62.2%的选择性相对增加。对于退火样品，增加表面F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108611见图9。 (a)SEM图像（b）案例3（涂覆有两层CoCuMnOx的粗糙化不锈钢，其中嵌入有1重量%的石墨）的EDX分析。粗糙度导致吸收率相对增加17.4%，发射率相对降低51.6%，选择性相对增加66.6%。根据光学原理，可以推断出，由以下原因引起的界面外表面面积的膨胀表面粗糙度，增加了吸收的太阳辐射量，并促进了入射光波的捕获。另一方面，界面内表面积的收缩使热辐射的量最小化，F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108612见图10。 (a)SEM图像（b）案例4（具有两层CoCuMnOx的粗糙不锈钢，其中嵌入了5wt%的木炭F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108613见图11。 (a)SEM图像（b）案例5（涂覆有两层CoCuMnOx和顶层二氧化硅的粗糙不锈钢）的EDX分析。F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108614图12个。（a）SEM图像（b）案例6（涂覆有两层CoCuMnOx和顶层木炭@二氧化硅的粗糙不锈钢）的EDX分析F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108615图十三. (a)SEM图像（b）案例7（具有1.35μ m表面粗糙度的不锈钢，涂覆有两层CoCuMnOx和顶层CNT@二氧化硅）的EDX分析。F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108616图14. (a)SEM图像（b）案例8（具有0.3μ m表面粗糙度的不锈钢，涂覆有两层CoCuMnOx和顶层CNT@二氧化硅）的EDX分析。F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108617●●表2光滑和粗糙化裸不锈钢样品的光学性质。退火温度表面粗糙度一e选择性（%）0°C（摄氏度）0.3l（光滑）0.6700.65234.41.35l（粗糙）0.8240.53255.8450°C0.3l（光滑）0.7680.63944.91.35l（粗糙）0.9020.30974.8图15. a）光滑表面和b）粗糙表面对热发射率的不同影响的示意图。不锈钢从另一个角度来看，喷砂产生的这种表面粗糙度形成了多个凸表面，这些凸表面将热波反射到金属中，从而与光滑表面相比最小化了发射率，如图所示在图15中。(See 图 16.）能量色散X射线（EDX）分析揭示了8个样品的组成元素下调查图7b、图8b和图9b证明了除了基底金属元素（Fe、Cr和Ni）之外，还存在涂层元素（Co、Cu、Mn、O和C）。如图10b所示，EDX分析揭示了除前述元素之外的另一种元素（Ca）。这可能是由于在这种情况下使用的碳添加剂的类型，通过研磨木炭生产。如图11b所示，分析检测到由于SiO2涂层而产生的硅，包括基底涂层元素（Co、Cu、Mn和O）和基底金属元素（Fe、Cr和Ni）。图12 b、图13 b和图14 b示出了与图11相同的元件。 11 b，除了碳的存在。4.4. 区分四种研究的碳同素异形体添加剂对涂层光学性能为了区分所研究的碳同素异形体添加剂并解决本研究的主要问题，根据其光学性质对它们每种同素异形体都具有最佳的吸收率、发射率和选择性。如图16a所示，5wt%质量分数的木炭添加剂和粗糙基底获得了最好的吸收率（0.964），而CNT在吸收率方面处于第二位0.927，其次是GNP和石墨。关于发射率，参见图16b，使用粗糙化基底的质量分数为3wt%的木炭添加剂获得最小的发射率（0.087），其次分别是CNT、GNP和石墨。 在被认为是最终目标的选择性方面，在粗糙化基底上的质量分数为5wt%的炭-煤添加剂实现了最好的选择性（92%），其次是GNP（85%）、CNT（84%）和石墨（83%），如图1所示。 16 c.基于上述发现，可以得出结论，木炭是性能最好的添加剂，而石墨是最差的。为了评估本研究中提出的碳基涂层，表3总结了该领域的一些科学研究成果。这突出了本研究中提出的最佳涂层（木炭-CoCuMnOx）在许多方面的优越性，包括涂层制备的容易性（溶胶-凝胶技术）、简单的涂层 技 术 （ 浸 渍 涂 层 ） 以 及 其 光 学 性 质 的 有 效 性 （a= 0.964 ， e=0.095），92%的选择性。此外，与其他纳米级碳同素异形体相比，木炭是一种低成本物质。值得注意的是，表3中的光谱选择性是通过以下方法计算的：将吸收率（a）和发射率（e）值代入本工作中采用的相同方程（a-（0.5* e）），比较选择性的值。然而，一些研究将光谱选择性定义为吸收率与发射率之比（a/e）。例如，在[35]中，通过将太阳能吸收率除以热发射率（a/e=0.88/0.41）来确定碳硅涂层的最佳性能，得到选择性为2.1。5. 结论本工作通过在粗糙和光滑不锈钢基体上添加不同的碳同素异形体来制备太阳能选择性表面，并得出以下结论碳同素异形体的浓度和基底材料的表面粗糙度是对光学性质具有可考虑的影响的参数● 最好的太阳能选择性涂层的制备使用5重量%的木炭作为添加剂的CoCuMnOx涂层，成本最低的添加剂在这项研究中检查，实现92%的选择性。而GNP-CoCuMnOx是第二好的，选择性低7%。在CoCuMnOx涂层顶部的二氧化硅保护层可以大大增加吸收率，但它会增加发射率。● 将碳作为单独的层（CNT@二氧化硅）施加在普通涂层（CoCuMnOx）的顶部上导致理想的太阳能吸收（100%），但不太合适的热发射率（37.8%）。增加基板的表面粗糙度提高了在这项研究中调查的所有涂层的发射率值。光滑和粗糙化基材样品的涂层表征证实，由于涂层组合物的晶体尺寸的变化，粗糙化基材提高了选择性涂层的性能。该研究为太阳能选择性涂层的进一步研究开辟了新的前景●●F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108618图16. 碳同素异形体对（a）吸收率、（b）发射率、（c）选择性的影响。表3以前的研究贡献，使用碳作为太阳能选择性涂层的组成部分衬底材料涂料配方涂覆技术一e选择性（%）参考文献Al碳氧化锌旋涂0.710.0668[三十六]AlC-NiO旋涂0.840.0482[三十六]SS 304SS/Ti/AlTiO/CoO/MWCNTsCVD0.950.2085[26日]Al碳纳米管/氧化铜黑漆喷涂0.9640.12490[37个]Al碳硅旋涂0.880.4168[35]第三十五届AlC-SiO2旋涂0.900.3175[22日]AlC/Al2O3/Al碳化硅单相磨削0.900.2279[32个]Cua-C：H/a-C：H/Cr/Cr-C/Cu等离子体活化CVD0.9180.08488[38个]其中选择性=a竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢作者对艾因夏姆斯大学工程学院设计与生产工程系和材料实验室表示衷心的感谢F. Taha，Nahed El Mahallawy和M.Shoeib工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108619在实验工作中，我们感谢了美国能源与发展研究所（CMRDI）和塔宾金属研究所参考文献：[1] J. Vince ，A. 苏 尔卡 武克 湾奥 帕拉 克拉 什奇 湾Orel ， M. 科 尔湾 Heck ，Solarabsorber coatings based on CoCuMnOx spinels prepared via the sol-gelprocess：Structural and optical properties，Sol.能量材料Sol. Cells 79（3）（2003）313-[2] M. Joly，Y.Antonetti，M.Python，M.A.G.Lazo，T.Gascou，A.Hessler-Wyser，J.L. Scartezzini ， A. Schüler ， CSP 接 收 管 上 的 选 择 性 太 阳 能 吸 收 器 涂 层 -doi.org/10.1016/j.egypro.2014.10.202[3] N. 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