CN110726262B - 一种光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构 - Google Patents

一种光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高性能泡沫金属基光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构，高性能泡沫金属基光热转换薄膜为CuO@CF和CuO/Ag@CF光热转换薄膜，将CuO@CF或CuO/Ag@CF光热转换薄膜与三聚氰胺泡沫形成双层蒸发结构，用于太阳能蒸汽产生，减少了在单层蒸发系统中发生的从太阳能吸收器到下面的水体的向下传导热损失，进一步提高了蒸发效率。且本发明采用CuO/Ag@CF光热转换薄膜较于传统纯贵金属材料薄膜具有更低的成本。

Description

一种光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双 层蒸发结构
技术领域
本发明涉及光热材料领域，具体涉及一种高性能泡沫金属基光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构。
背景技术
光热材料作为高效光热转换的关键，也是太阳能蒸汽技术的核心。光热材料产生的热量可以用来驱动蒸汽的产生，由于其具有成本效益和环保水净化的巨大潜力，它吸引了广泛而深入的研究。
目前使用太阳能生产蒸汽的技术依赖于材料表面吸收太阳辐射，并将积聚的热量传递给散装水直接或间接通过中间传热流体，因为光损失高，表面热损失大，或需要真空，以减少对流热损失，这增加了光热系统的成本及复杂性。因此，非常需要开发出具有成本效益和高效率的太阳能收集系统。低成本的微/纳米结构的光热系统最近引起了广泛关注。尽管如此，吸引人的重要问题是，这种情况下的纳米粒子由于吸收和散射入射光而被浪费。为了克服这个问题，出现了许多方法。诸如使用各种黑色材料(如多孔碳材料)的吸收体，但由于碳基材料反射率较高，所以出现了金属等离激元结构和半导体纳米粒子，其被证明能更加有效地吸收太阳能。但目前发展的金属粒子例如Ag、Pt、Au和Pd等作为吸收体，不仅本身价格昂贵，而且用量都较多，便会导致成本过高。
用于热定位的基材起着绝热体的作用，减少了汽化区域和散装液体之间的热传递。目前有使用商业化聚苯乙烯泡沫作为下层基材，该泡沫属于闭孔疏水泡沫，作为浮子和绝热层，进一步降低了向下的热传导损失。但这种设计最大的问题就是，它可能会限制入射太阳光的光学损失，导致输入能量的降低。所以如何把太阳能的辐射转化为热能从而加以利用，目前仍存在巨大挑战。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高性能泡沫金属基光热转换薄膜及其制备方法和用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构，减少了在单层蒸发系统中发生的从太阳能吸收器到下面的水体的向下传导热损失，进一步提高了蒸发效率。且本发明采用CuO/Ag@CF光热转换薄膜较于传统纯贵金属材料薄膜具有更低的成本。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，Cu(OH)2薄膜的制备
配制NaOH和(Na)2S2O8的混合溶液，将泡沫铜浸泡在混合溶液中，静置反应后取出，洗涤、干燥，得到Cu(OH)2@CF；
步骤2，氧化铜薄膜的制备
将Cu(OH)2@CF进行热处理，在泡沫铜表面生成一层氧化铜薄膜，得CuO@CF光热转换薄膜。
优选的，步骤1中，混合溶液中，NaOH的浓度为0.8-1.2mol L-1，(Na)2S2O8的浓度为0.03-0.08mol L-1。
优选的，步骤1中，泡沫铜的厚度为1-1.5mm。
优选的，步骤1中，静置反应具体是在室温下静置反应4-6h。
优选的，步骤2中，热处理的温度为150-210℃，时间为1-3小时。
采用所述的制备方法制备得到的CuO@CF光热转换薄膜。
一种CuO/Ag@CF光热转换薄膜，在所述的CuO@CF光热转换薄膜的CuO薄膜上覆盖有一层Ag膜。
优选的，Ag膜厚度为4-6nm。
所述的CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备方法，在所述的CuO@CF光热转换薄膜的CuO薄膜上真空蒸镀一层Ag膜。
一种用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构，包括组合在一起的上层和下层，上层为光热转换薄膜，下层为三聚氰胺泡沫；光热转换薄膜为所述的CuO@CF光热转换薄膜，或者，所述的CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过原位化学反应在泡沫铜表面制备氧化铜薄膜，结果显示在泡沫铜表面生长了致密的CuO树状纳米线结构，同时CuO树状纳米线被一层CuO纳米花所覆盖，每朵纳米花为花状球体的形态，由许多分层花瓣状结构的纳米片紧密镶嵌组成，极大地增强了光吸收的面积。CuO为黑色，能更好的吸收太阳光，并且铜具有优异的导热性，这些使得CuO@CF具有很好的光吸收性能和蒸汽产生性能。
本发明还在CuO@CF上增加了一层银膜，实验结果表明镀银的CuO/Ag@CF光热转换薄膜的光吸收明显高于CuO@CF薄膜，这是由于镀银后贵金属颗粒Ag的等离激元效应对光吸收起到了增强，这归功于贵金属颗粒的表面激化等离激元效应。不同颗粒尺寸的Ag纳米颗粒沉积在CuO表面，拓宽了光学吸收波段。经过镀银后的材料CuO/Ag@CF光热转换薄膜，展现了优异的光吸收性能，其中，平均的光吸收效率为87.27％，较高的光吸收保证了光热材料实现高效转换的能力。CuO/Ag@CF净蒸发速率高于CuO@CF的净蒸发速率，在一次太阳辐射下，CuO/Ag@CF的净蒸发速率可以达到1.0976kg m-1h-1，太阳能热蒸发效率最高可达到78％。
本发明将光热转换薄膜与三聚氰胺泡沫组成双层蒸发结构，三聚氰胺泡沫表面是三维多孔网状相连的骨架结构，与传统聚乙烯、聚苯乙烯泡沫相比，具有较高弹性以及成本低、机械性能稳定的特点，同时，三聚氰胺泡沫内在的多孔结构和超亲水特性，使其可以通过毛细作用力将底部的水不断运输到气-液界面。将CuO/Ag@CF放置于三聚氰胺泡沫上，其界面连接良好，是理想的无障碍水通道，从而保持光热转换薄膜在水蒸气产生的同时及时的将海水补充到反应界面。另一方面，三聚氰胺泡沫相较聚苯乙烯泡沫有更低的热传导率，可以有效降低热传导损失，避免热量大幅度散失到水中，形成了有效的局部化加热，从而改善了太阳能蒸汽的产生。
附图说明
图1为实施例1所制备的CuO@CF光热转换薄膜在制备过程中外观颜色的变化；
图2为实施例1所制备的CuO@CF光热转换薄膜的微观形貌；
图3为三聚氰胺泡沫表面的微观形貌；
图4为实施例1泡沫铜上通过原位反应制备的CuO薄膜的X射线衍射图；
图5是实施例1的CuO@CF和三聚氰胺泡沫双层结构在水上的红外成像；
图6为基于泡沫铜复合光热材料的反射光谱。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一、CuO/Ag@CF复合薄膜的制备
1、泡沫铜(CF)的清洁处理
选用商业泡沫铜，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以50～70W的功率超声清洗5～10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5～10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配制NaOH和(Na)2S2O8的混合溶液，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应5h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着泡沫铜表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将Cu(OH)2@CF在180℃退火2小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层5nm厚的贵金属膜：将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度5nm，使金属银在高温下蒸发至氧化铜薄膜表面，形成一层5nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
二、太阳能蒸汽的生成
利用氙灯平行光源模拟太阳光，太阳光强度由光功率计来测量。通过调整氙灯平行光源工作电流的大小、光斑大小(滤光片)以及蒸发界面到模拟光装置的直线高度大小，来定量调节模拟太阳光的强度大小。质量变化由电子微量天平结合笔记本电脑记录数据，构建太阳能蒸发实验平台，经过分析和计算可以得到在实验条件下盐水的蒸发效率以及样品薄膜的光热转换效率，进行光热性能研究。
该平台包括温度湿度测量调节系统、光学模拟测试系统和质量变化测试系统。光学模拟测试系统：太阳光的模拟设备，采用中教金源氙灯光源(CEL-HXF300)，作为高光功率全波段光源，与太阳光相似的光谱。其光能量输出集中稳定，便于试验中光的利用。通过配置着滤光片(CEL-AB50)、(CEL-AM1.5)协同调节成实验设定的太阳光强度，太阳光光密度测量使用中教金源的光功率计(CEL-NP2000)。
温度湿度测量调节系统：表面温度测量通过配备的红外相机(Fotric222s)；环境温度湿度检测和调控通过温度湿度报警(YD-HT)，空调远程控制器(AIRC800)，格力空调(ENJOYWIND)，半导体除湿机(MD-16E)。
质量变化测试系统：测量模拟海水和光热材料在模拟光照下的质量变化量，将承载以上样品的烧杯放在精度为0.0001g电子微量天平上(奥豪斯AR224CN)，开启相关仪器和测试软件，数据变化将自动传送并记录到笔记本电脑上。
为了模拟海水环境，配置浓度为3.5wt％的盐水，进行光热蒸发脱盐实验。同时，准备与样品同样尺寸的浮动绝缘材料三聚氰胺泡沫。采用1cm厚的三聚氰胺泡沫作为下层，三聚氰胺泡沫负责运输水与支撑，而上层的薄膜材料在界面处热定位加热蒸发盐水，从而可以高效的进行蒸汽生成。同时，烧杯外部用1cm厚的泡沫板包裹，阻止热量从烧杯侧面散失。
在不同厚度样品条件下测量盐水质量变化量。盐水蒸发速率在稳定条件下测试软件每3min测量一次质量，并记录数据，测试60min，每组重复测试3次。
最后，还测试了暗场中装置的蒸发速率，并从辐照下测量的所有蒸发速率中减去，以消除自然水蒸发的影响。
在烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将品CuO@CF与三聚氰胺泡沫形成的双层蒸发结构放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1～3个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试。然后，对样品CuO/Ag@CF进行测试，具体流程同上。
同时，用相同的烧杯装有等量盐水，不放任何样品，只对盐水在暗场中进行蒸发测试。
具体实施例
实施例1
一、CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备
1、泡沫铜的清洁处理
分别选用厚度1.5mm、1.0mm的商业泡沫铜(直径为22mm)，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以50W的功率超声清洗10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配置25mL的1.0mol L-1NaOH溶液和25mL的0.05mol L-1(Na)2S2O8溶液，将两种溶液混合，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应5h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着铜泡沫表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将样品Cu(OH)2@CF在180℃退火2小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF(1.5mm)、CuO@CF(1.0mm)光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层5nm厚的金属银膜。将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度5nm，使金属银在高温下蒸发至薄膜表面，形成一层5nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF(1.5mm)、CuO/Ag@CF(1.0mm)光热转换薄膜。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，分别将厚度为1.5mm和1.0mm的样品CuO@CF，与三聚氰胺泡沫形成的双层蒸发结构放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。然后，采用同样的方法，对样品CuO/Ag@CF(1.5mm)、CuO/Ag@CF(1.0mm)进行测试。
同时，用相同的烧杯装有等量盐水，不放任何样品，只对盐水在暗场中进行蒸发测试。
实施例2
一、CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备
1、泡沫铜的清洁处理
选用厚度1.5mm、1.0mm的商业泡沫铜(直径为22mm)，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以60W的功率超声清洗10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配置25mL的0.8mol L-1NaOH溶液和25mL的0.03mol L-1(Na)2S2O8溶液，将两种溶液混合，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应4h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着铜泡沫表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将样品Cu(OH)2@CF在150℃退火1小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层4nm厚的金属银膜。将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度4nm，使金属银在高温下蒸发至薄膜表面，形成一层4nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
实施例3
一、CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备
1、泡沫铜的清洁处理
选用厚度1.5mm、1.0mm的商业泡沫铜(直径为22mm)，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以70W的功率超声清洗10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配置25mL的1.1mol L-1NaOH溶液和25mL的0.04mol L-1(Na)2S2O8溶液，将两种溶液混合，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应4.5h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着铜泡沫表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将样品Cu(OH)2@CF在170℃退火1.5小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层5nm厚的金属银膜。将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度5nm，使金属银在高温下蒸发至薄膜表面，形成一层5nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
实施例4
一、CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备
1、泡沫铜的清洁处理
选用厚度1.5mm、1.0mm的商业泡沫铜(直径为22mm)，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以60W的功率超声清洗10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配置25mL的1.2mol L-1NaOH溶液和25mL的0.06mol L-1(Na)2S2O8溶液，将两种溶液混合，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应5.5h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着铜泡沫表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将样品Cu(OH)2@CF在200℃退火2.5小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层6nm厚的金属银膜。将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度6nm，使金属银在高温下蒸发至薄膜表面，形成一层6nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
实施例5
一、CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备
1、泡沫铜的清洁处理
选用厚度1.5mm、1.0mm的商业泡沫铜(直径为22mm)，将泡沫铜放入质量分数为3％的稀盐酸中以60W的功率超声清洗10min，将泡沫铜取出用去离子水冲洗至干净。然后用同样的方法在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10min。从而除去泡沫铜表面的杂质、氧化物/氢氧化物、油脂等。取出后，得到清洁的泡沫铜。
2、制备Cu(OH)2薄膜
配置25mL的0.9mol L-1NaOH溶液和25mL的0.08mol L-1(Na)2S2O8溶液，将两种溶液混合，并利用磁力搅拌器搅拌至均匀。随后将泡沫铜竖直浸泡在混合溶液的烧杯杯壁。室温下静置反应6h取出，一层浅蓝色的薄膜覆盖着铜泡沫表面。将所得的样品用去离子水、无水乙醇反复冲洗，在空气中干燥。在泡沫铜表面制备得到蓝色的氢氧化铜薄膜，即得到Cu(OH)2@CF。
3、氧化铜薄膜的制备
将样品Cu(OH)2@CF在210℃退火3小时，然后让其随炉缓慢冷却至室温，得到生长在泡沫铜表面的氧化铜薄膜，即得CuO@CF光热转换薄膜。
4、真空镀膜
利用蒸发镀膜设备ZDF-5277在CuO@CF光热转换薄膜的氧化铜薄膜上真空蒸镀一层5nm厚的金属银膜。将CuO@CF光热转换薄膜放入真空室，打开电源将真空室抽至真空状态，再打开金属蒸发电源，设定蒸发厚度5nm，使金属银在高温下蒸发至薄膜表面，形成一层5nm厚的均匀Ag膜，得到CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
图1是实施例1所制备的CuO@CF光热转换薄膜在制备过程中外观颜色的变化。(a)为未经处理的黄色泡沫铜基体。首先，经过原位化学反应在泡沫铜上合成Cu(OH)2薄膜，(b)表明反应后的泡沫铜从黄色变为蓝色，可以推测到Cu(OH)2的形成，在180℃的高温煅烧下，蓝色的样品经过高温脱水反应，得到生长在泡沫铜基体上黑色的CuO纳米薄膜，(c)为CuO纳米薄膜涂覆的泡沫铜的光学图像。
图2是实施例1所制备的CuO@CF光热转换薄膜的微观形貌。从(a)可以观察到泡沫铜是一种在铜基体中分布着孔洞的三维泡沫材料，并且(b)显示在其表面有着密集的花状结构与错综复杂的树状纳米线结合的纳米阵列结构。从(c)和(d)可以清楚地看到，在泡沫铜表面生长了致密的CuO树状纳米线结构，同时CuO树状纳米线被一层CuO纳米花所覆盖。每朵纳米花为花状球体的形态，由许多分层花瓣状结构的纳米片紧密镶嵌组成，花形结构的直径约5μm，极大地增强了光吸收的面积。
图3是三聚氰胺泡沫表面的微观形貌，其表面是三维多孔网状相连的骨架结构，孔直径约为200μm，其具有高弹性、成本低，机械性能稳定，有利于长时间使用该海水淡化设备。同时，三聚氰胺泡沫内在的多孔结构和超亲水特性，使整体装置可以通过毛细作用力将底部的水不断运输到气-液界面。将CuO/Ag@CF放置于三聚氰胺泡沫上，其界面连接良好，是理想的无障碍水通道，从而保持光热转换薄膜在水蒸气产生的同时及时的将海水补充到反应界面。另一方面，三聚氰胺泡沫具备较低的热传导率，可以有效降低热传导损失，避免热量大幅度散失到水中，形成了有效的局部化加热。
图4是实施例1泡沫铜上通过原位反应制备的CuO薄膜的X射线衍射(XRD)图，可知生成的CuO样品为单斜CuO相(PDF卡片：JCPDS No.481548)，这一分析进一步证实了泡沫铜衬底上氢氧化铜在180摄氏度的烘烤下反应生成了CuO膜。
图5是实施例1的CuO@CF光热转换薄膜和三聚氰胺泡沫双层结构在水上的红外成像，显示有不同的温度层，(a1)和(a2)显示，双层结构下面的大量水的温度升高缓慢，表明由于界面蒸发的热定位以及三聚氰胺泡沫的隔热效果，由光吸收产生的热量很少到达大量水中。其可以通过防止大量水加热过程中的能量损失，从而改善了太阳能蒸汽的产生。
对于表面温度变化，CuO@CF光热转换薄膜表面温度的红外图像显示，如(b1)、(b2)，在一个太阳辐照下CuO@CF光热转换薄膜的表面温度由照射1min时的30.4℃升高至38.8℃。该系统的快速升温还归功于铜的优异导热性，这在实际应用中是一个很大的优势。
图6为实施例1制备的CuO@CF和CuO/Ag@CF的反射光谱，在选定的太阳光谱范围内，通过“反射率+吸收率+透射率＝1”计算得出不同厚度的样品CuO@CF的光吸收率为83±1％左右，考虑到这种样品光学吸收率仍然有较大的提升空间。因此，采用蒸发镀银的方式。镀银后，CuO/Ag@CF1.0mm中，光吸收率为85.91％。而在CuO/Ag@CF1.5mm中，光吸收率为88.64％。
可以看出，镀银的薄膜光吸收明显高于CuO薄膜，除了黑色CuO薄膜阵列形貌影响外，镀银后贵金属颗粒Ag的等离激元效应对光吸收起到了增强，这归功于贵金属颗粒的表面激化等离激元效应。不同颗粒尺寸的Ag纳米颗粒沉积在CuO表面，拓宽了光学吸收波段。经过镀银后的材料CuO/Ag@CF光热转换薄膜，展现了优异的光吸收性能。其中，平均的光吸收率为87.27％，较高的光吸收保证了光热材料实现高效转换的能力。
表1 30min辐射下，实施例1各种样品的净蒸发速率汇总
Figure BDA0002243243310000141
从表1中可以进一步看出，镀银的Ag面的净蒸发速率高于未镀银的CuO面的净蒸发速率。在一次太阳辐射下，CuO/Ag@CF的净蒸发速率可以达到1.0976kg m-1h-1。计算，CuO/Ag@CF(1.0mm)、CuO@CF(1.0mm)、CuO@CF(1.5mm)和CuO/Ag@CF(1.5mm)的光热转换效率分别达到66.11％、59.36％、56.79％、78.63％。可见，在一次太阳辐射下，CuO/Ag@CF的太阳能光热转换效率最高可达到78％。
本发明制备的CuO/Ag@CF材料，在整个太阳光波长范围内(200-2500nm)吸收率最高达88％，具有良好的光学性能。主要归结于其表面有着密集的花状结构与错综复杂的树状纳米线结合的纳米阵列结构，以及纳米金属颗粒的等离激元共振效应。同时支撑层三聚氰胺泡沫具有良好的超亲水性，可以将水从整体环境运输到光热转换界面，并且三聚氰胺泡沫具有低的热传导性，极大抑制了热传导损失。结合双层结构设计在水输送、热损耗管理等方面的优势，在标准太阳光照强度下，该复合光热转换器件可达到78％的光热转换效率。该器件仅需依靠太阳能获得可饮用的淡水资源，极其富有探索前景和应用的意义。
本发明通过原位化学反应以及真空蒸镀技术，制备CuO/Ag@CF复合薄膜构筑光热转化材料。结合新型界面光热转换设计，利用三维多孔三聚氰胺泡沫与CuO/Ag@CF薄膜搭配，形成由浮动多孔绝热体支撑的双层蒸发结构。聚合物泡沫内在的超亲水性可不断的泵水，保持光热薄膜可时刻接触海水。另一方面，阻碍了热辐射和向下面的冷水的传导，可以有效降低热传导损失。结合三聚氰胺泡沫构建独特的双层蒸发结构，利用界面蒸发实现太阳能的高效利用，并探究光热材料性能。由于其良好的热定位以及高效的水运输，使用可再生的太阳光生产出清洁的水。广泛用于海水淡化、水净化等领域。同时该技术环保、清洁，具有低成本优势和可持续性。

Claims (10)

1.一种CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，Cu(OH)2薄膜的制备
配制NaOH和(Na)2S2O8的混合溶液，将泡沫铜浸泡在混合溶液中，静置反应后取出，洗涤、干燥，得到Cu(OH)2@CF；
步骤2，氧化铜薄膜的制备
将Cu(OH)2@CF进行热处理，在泡沫铜表面生成一层氧化铜薄膜，得CuO@CF光热转换薄膜。
2.根据权利要求1所述的CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，混合溶液中，NaOH的浓度为0.8-1.2mol L-1，(Na)2S2O8的浓度为0.03-0.08mol L-1。
3.根据权利要求1所述的CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，泡沫铜的厚度为1-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，静置反应具体是在室温下静置反应4-6h。
5.根据权利要求1所述的CuO@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，热处理的温度为150-210℃，时间为1-3小时。
6.采用权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的CuO@CF光热转换薄膜。
7.一种CuO/Ag@CF光热转换薄膜，其特征在于，在权利要求6所述的CuO@CF光热转换薄膜的CuO薄膜上覆盖有一层Ag膜。
8.根据权利要求7所述的CuO/Ag@CF光热转换薄膜，其特征在于，Ag膜厚度为4-6nm。
9.权利要求7或8所述的CuO/Ag@CF光热转换薄膜的制备方法，其特征在于，在权利要求6所述的CuO@CF光热转换薄膜的CuO薄膜上真空蒸镀一层Ag膜。
10.一种用于太阳能蒸汽产生的双层蒸发结构，其特征在于，包括组合在一起的上层和下层，上层为光热转换薄膜，下层为三聚氰胺泡沫；光热转换薄膜为权利要求6所述的CuO@CF光热转换薄膜，或者，权利要求7或8所述的CuO/Ag@CF光热转换薄膜。
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