CN112066578B - 耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法 - Google Patents

耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，利用纳米复合结构材料的结构和形貌调控好、光吸收特性优异、制备工艺简便、制备周期短、稳定性强、成本低、单个吸收体超宽吸收可近全吸收太阳光的纳米复合结构材料，形成耦合增益局域表面等离子体共振吸收体做为光热转换基质，直接聚焦太阳光辐照吸收体的分散液，可俘获低能量密度的太阳光制备光热蒸汽，耐候性强，全昼日俘获太阳光，同时产生高温、快速和高效的光热蒸汽，日均综合光热性能优异，解决了光热转化效率随着入射光能量密度降低而效率骤减的问题，解决了难以同时产生高温、快速和高效的光热蒸汽和难以俘获低能量密度的太阳光的难题。

Description

耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天 候产生光热蒸汽的方法
技术领域：
本发明涉及光热转换技术领域，具体涉及一种耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法。
背景技术：
太阳能作为绿色可再生资源，高效的光能量利用是解决能源问题的研究热点。利用太阳光进行光热转换产生光热蒸汽，并将光热蒸汽进一步应用于能源利用，产生的光热蒸汽要求同时满足：高温、快速和高效的特性(3H特性)，以下称为3H光热蒸汽或3H蒸汽。光热转化产生的光热蒸汽只有同时满足3H特性才可以将富含高品位热能的蒸汽进一步应用于能源利用。光能量利用的核心是吸收体的光吸收特性，由于吸收体的光吸收特性难以改进。利用太阳能进行光热转换时难以同时产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽，这极大地影响了光热转换产生的光热蒸汽的进一步能源应用。同时，光热转换还面临着无法高效俘获低能量密度(低光照强度)的太阳光的难题，太阳光能量分散且每日仅有中午的少数时段太阳光光照较强，而大部分时段的太阳光光照强度较弱，使得大部分的太阳能无法有效被利用，极大限制了日均光热转换性能和实际太阳能的有效利用。提高光热转换性能，光热转换产生的光热蒸汽同时满足3H特性，并且可高效俘获低能量密度的太阳光，在本源上需要改进吸收体的光吸收特性。
贵金属纳米结构材料的局域表面等离子体共振(Localized Surface PlasmonResonance,LSPR)具有很强的场增强效应，LSPR吸收体与入射光发生共振作用，产生强大的高温热点(hot-spots)，并在极短时间内将能量传递给周围的介质，热点作为热源驱动周围的介质快速气化相变可以在极短时间(100ps至10ns)内把电磁能转化为热能。同时LSPR吸收体进行光热转换仅加热热点周围的介质，具有很强的局域性，因此LSPR吸收体可以产生高温光热蒸汽。尽管LSPR吸收体的吸收光谱可以大范围调控，可快速产生高温光热蒸汽，但是单一结构的LSPR吸收体的吸收光谱通常为孤立的一个或几个吸收峰，吸收光谱的覆盖范围有限，这极大的限制了LSPR吸收体光热转换的性能。光热蒸汽需要使用太阳光作为光源，利用LSPR吸收体的强大的高温热点快速驱动周围介质气化相变，这就对LSPR吸收体的LSPR光谱有了更高的要求，LSPR光谱需要与太阳光谱匹配，对可见光的吸收要强。
提高光热转换性能，关键是要改进吸收体的光吸收特性包括吸光吸收强度和吸收光谱的吸收范围，是从本源上改进光热转换性能的最佳方式，但是单个吸收体的光吸收特性很难改进。由于单一结构的LSPR吸收体的吸收光谱通常为孤立的一个或几个吸收峰，吸收光谱的覆盖范围有限，对于局域表面等离子体共振吸收体的光吸收特的调控，目前主要调控吸收体的吸收峰位，虽然LSPR吸收体的吸收峰峰位可以从紫外-可见-近红外光区内大范围调控，但拓宽单个吸收体的吸收光谱范围尚无有效可行的方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，利用纳米复合结构材料的结构和形貌调控好、光吸收特性优异、制备工艺简便、制备周期短、稳定性强、成本低、单个吸收体超宽吸收可近全吸收太阳光的纳米复合结构材料，形成耦合增益局域表面等离子体共振吸收体做为光热转换基质，直接聚焦太阳光辐照吸收体的分散液，可以俘获低能量密度的太阳光制备光热蒸汽，耐候性强，全昼日俘获太阳光，同时产生高温、快速和高效的光热蒸汽(3H光热蒸汽)，日均综合光热性能优异，解决了光热转化效率随着入射光能量密度降低而效率骤减的问题，解决了难以同时产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽和难以俘获低能量密度的太阳光的难题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，该方法包括以下步骤：
4)非晶体纳米核负载着银纳米晶：非晶体纳米材料分散于去离子水(DI water)或蒸馏水或超纯水中，配置成浓度为0.01-0.03mol/L的分散液，加入浓度为0.1-0.3mol/L的亚铁(Fe(II))基修饰剂搅拌0.5-1.5h，反应体系中非晶体纳米材料与亚铁(Fe(II))基修饰剂的摩尔比为(2-5):1，3000-8000rpm离心水洗，洗涤后沉降物再分散于水中，超声分散并搅拌均匀，加入浓度为0.05-0.3mol/L银纳米晶前驱体溶液，剧烈搅拌5-10min，超声条件下反应1-2h，使用水离心洗涤三次，再分散于水中制得产物分散液，置于室内贮存；所述非晶体纳米材料选自SiO2纳米球、聚苯乙烯微球、纳米氧化钛和纳米碳颗粒等非晶体纳米材料中的任一种；
5)近全吸收太阳光CE-LSPR吸收体的制备：配置质量分数0.2-0.5％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液，加入硝酸银搅拌均匀使硝酸银(AgNO3)浓度为1.5*10-3mol/L-6*10-3mol/L；其中聚乙烯吡咯烷酮浓度以单体计算，聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量Mw＝8000-58000；注入步骤1)制备的表面负载着银纳米晶的非晶体纳米核分散液，加入0.03-0.1mol/L柠檬酸钠做修饰剂，剧烈搅拌、超声分散，加入还原剂溶液，其中硝酸银、柠檬酸钠和还原剂的摩尔浓度比为(1-4):(0.04-0.15):(2.5-8)，剧烈搅拌5-10min后缓慢搅拌，室温反应1-3h，水浴加热至60-90℃，熟化6-12h，3000-6000rpm离心分离，使用去离子水和无水乙醇依次洗涤两次得到耦合增益局域表面等离子体共振效应(CE-LSPR)吸收体，分散于去离子水或无水乙醇分散剂中得到CE-LSPR吸收体的分散液；
6)光热转换产生高温、快速和高效的光热蒸汽(3H光热蒸汽)：取步骤2)得到的CE-LSPR吸收体分散液，分散于去离子水或有机溶剂，搅拌超声3-5min，均匀分散后，注入光热转换装置，调控吸收体的浓度、分散液容量、液面高度，直接使用室外的低倍率聚焦太阳光辐照吸收体的分散液，同时产生高温、快速和高效的光热蒸汽(3H光热蒸汽)。
特别地，测量光照前后转换器的质量、分散液温度和太阳光光照强度，测量吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的综合光热转化特性和日均光热转化性能。
所述非晶体纳米材料SiO2纳米球的制备方法如下：配置溶液A和B，溶液A由正硅酸乙酯(TEOS)和水混合而成；溶液B由NH3·H2O和水和无水乙醇混合而成；溶液A、B混合后剧烈搅拌，TEOS:NH3·H2O:H2O:EtOH摩尔浓度比为1:(0.8-1.5):(0.4-0.8):(6-8)，20-70℃反应3h，3000-8000rpm离心无水乙醇洗涤2-3次，离心沉降物105℃烘干，制得非晶体SiO2纳米球。调控反应物比例、氨水用量和反应温度可以调控SiO2纳米球的粒径，SiO2纳米球粒径：30-500nm。SiO2纳米球制备时可以扩大反应5-10倍。
步骤3)中，所述的光热转换装置中分散液含有的吸收体低于0.33wt‰，分散液中吸收体与分散剂质量比低于1:3300，吸收体的浓度1011-1013Nanoparticles/L。
步骤3)中阳光光照强度(光能量密度)：300-1200W/m2，聚光度：200-600倍。
步骤3)分散剂为去离子水时可制备高温水蒸汽，适用于海水淡化、净水处理、高温蒸汽灭菌杀毒、工业蒸汽、家庭取暖、太阳能热水器、蒸汽发电等用途；分散剂为有机溶剂、水和有机溶剂混合液、不同有机溶剂混合液，可以通过产生蒸汽进行分离提纯。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的吸收体光吸收特性优异，单个CE-LSPR吸收体的吸收光谱连续地覆盖335-1800nm，单个吸收体超宽吸收、吸收光谱连续覆盖紫外-可见-近红外光、近全吸收太阳光的优异光吸收特性，吸收96.04％的太阳光。
(2)本发明利用近全吸收太阳光的吸收体高效俘获太阳光进行光热转换产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽，综合光热转换性能优异，室外全天候的系列光热转换实验表明，标准气压下，CE-LSPR吸收体的产生的光热蒸汽温度高于105-110℃，光热蒸汽的温度高于标准气压下水的沸点，为过热的过饱和蒸汽。光热转化效率(ηce)、蒸汽速率V(AM1.5)和实际蒸汽速率(Va)分别可达87.65％、19.30g/(AM1.5·m2·min)和1.52g/min。
值得注意的是，这不同于实验室中使用太阳光模拟器在理想(最佳)光照强度下辐照时光热转换仅光热转换效率一个性能优异，本发明方法在不同光照强度辐照的室外太阳光进行光热转换产生3H光热蒸汽的综合光热转换性能优异。
(3)单个CE-LSPR吸收体具有超宽频吸收光谱，可以俘获低能量密度的太阳光，解决了光热转化效率随着入射光能量密度降低而效率骤减的问题，耐候性强，日均综合光热性能优异。CE-LSPR吸收体可有效吸收低强度的太阳光，在低强度太阳光(371-493W/m2)辐照时，可高效进行光热转化(83.3-89.2％)。这极大地拓展了光热转换的日均时长，首次实现优异的日均综合光热性能，日均光热转化效率、日均蒸汽速率和日均实际蒸汽速率分别为71.2-83.3％、13.3-15.4g/(AM1.5·m2·min)和0.9-1.4g/min。值得注意的是，不同于实验室中使用最佳的光照强度辐照时的光热转换性能，本发明方法高效俘获低光照强度的太阳光，室外的日均光热转换性能优异，室外日均光热转换性能是太阳光能源利用的实际转换性能。CE-LSPR吸收体优异的综合光热性能和日均综合光热性能有助于光热蒸汽后续的开发利用。CE-LSPR吸收体解决了如何产生3H光热蒸汽和难以俘获低能量密度的太阳光的难题，对高效利用太阳能有重要意义。
(4)近全吸收太阳光吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的特性，包括：高温、快速、剧烈气化相变、蒸汽局域性、快速的光照响应和巨大的层温差。CE-LSPR吸收体强大的高温热点和局域性，有助于高效进行光热转换产生高温过热蒸汽。CE-LSPR吸收体产生光热蒸汽具有很强的局域性和巨大的层温差，吸收体的分散液聚光辐照时仅在辐照区剧烈产生高温的过热(过饱和)蒸汽和气泡，蒸汽温度通常在105℃以上。原位瞬态原位图片和对应的原位热红外成像图显示CE-LSPR吸收体的分散液室外光照时持续、剧烈、快速地产生大量的高温过热蒸汽的。剧烈的高温光热蒸汽、气泡并伴随气泡破裂的爆鸣声仅在分散液的气-液界面的辐照区产生，具有很强的局域性，热红外成像显示分散液体相形成很大的层温差，分散液光照区的气-液界面和分散液底部温差甚至超过90℃。CE-LSPR吸收体具有超宽的光吸收光谱，近全吸收太阳光，光特性优异，进行光热转换产生3H光热蒸汽时，光热蒸汽响应时间极短，Tb仅为2.5-3.7s。快速的光热蒸汽响应体现了CE-LSPR吸收体的优异光热转换特性，停止光照，气-液界面立刻停止产生蒸汽，界面的温度也随之下降，分散液体相温度冷却至较低温度(～40℃)时，再次聚光辐照，CE-LSPR吸收体的分散液气-液界面立刻产生3H蒸汽，持续、剧烈、快速的高温光热蒸汽和气泡在辐照区产生，Tb低于4s。
(5)本发明吸收体在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽，能够适应室外风速、太阳光快速变化等天气，同时适应高湿度的环境，相对湿度＞50％，可以持续、剧烈产生高温光热蒸汽，耐候性强。
(6)本发明吸收体在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽，产生高温过热蒸汽前后吸收体的形貌和结构稳定，吸收体稳定性强，进行光热转换时，吸收体结构和形貌稳定。
附图说明：
图1是近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体高效俘获太阳光进行光热转换产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽的示意图。
图2是本发明近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体的吸收光谱图；
其中，a为实施例1中的近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体在250-2000nm的紫外-可见-近红外光光区的连续吸收光谱；b为实施例3中的近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体在250-2000nm的紫外-可见-近红外光光区的连续吸收光谱；a图和b图中下方插图分别为单个CE-LSPR吸收体高角环形暗场高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图；c为CE-LSPR吸收体的吸收光谱与太阳光光谱匹配，吸收体光吸收特性优异，单个CE-LSPR吸收体具有超宽频吸收光谱，在紫外-可见-近红外光区内连续吸收，单个吸收体近全吸收太阳光，单个CE-LSPR吸收体的吸收光谱连续地覆盖335-1800nm，吸收96.04％的太阳光。
图3是实施例1中近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的全天候(日间不同时间点的太阳光辐照)的系列光热转换实验，吸收体的综合光热转换性能和日均光热转化性能均优异；
其中，a为室外光热转化实验，不同太阳光光照强度对应的光热转化效率(ηce)；b为室外全天候的不同时间的ηce和太阳光光照强度。曲线变化趋势表明CE-LSPR吸收体在日间(08:58am to 16:35pm)的光热转化效率优异，尤其在低太阳光光照强度(313-637W/m2)光热转化效率优异；c,d为室外全天候的系列光照实验V(AM1.5)和Va随太阳光光照强度的变化曲线。
图4是本发明实施例2中近全吸收太阳光的吸收体，在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽的系列光热转换实验，吸收体的综合光热转换性能和日均光热转化性能均优异；
其中，a为室外光热转化实验，不同太阳光光照强度对应的光热转化效率(ηce)；b为不同时间的ηce和太阳光光照强度；c,d为室外光照实验，V(AM1.5)和Va随太阳光光照强度的变化曲线；e为CE-LSPR吸收体在不同光照强度和吸收体浓度时光热转化产生光热蒸汽的质量曲线，包括：实施例1中图3(a)中平均光照强度～637W/m2、图4(a)中平均光照强度～719W/m2和图4(a)中平均光照强度～690W/m2，质量曲线为室外实验中实时测量CE-LSPR吸收体产生的实际光热蒸汽，曲线中出现的局域振荡是由于强烈的阵风吹动所致；f为CE-LSPR吸收体产生大量光热蒸汽瞬态图片，图中显示光热蒸汽仅在辐照区产生，大量的光热蒸汽快速地从辐照区的气-液相界面释放出来；g为对应fCE-LSPR吸收体产生剧烈光热蒸汽的热红外成像图，CE-LSPR分散液产生高温光热蒸汽时，分散液体相形成巨大的层温差(＞90℃)，高温光热蒸汽具有局域性，蒸汽温度高于105℃；f,g中标尺为2cm。
图5是本发明实施例3中近全吸收太阳光的吸收体，在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽的全天候(日间不同时间点的太阳光辐照)的系列光热转换实验，吸收体的综合光热转换性能和日均光热转化性能均优异；
其中，a为室外全天候的系列光热转化实验，不同太阳光光照强度对应的光热转化效率(ηce)；b为不同时间的ηce和太阳光光照强度；c,d为室外全天候的光照实验V(AM1.5)和Va随太阳光光照强度的变化曲线；c中插图为CE-LSPR吸收体产生大量光热蒸汽瞬态图片，d中插图为CE-LSPR吸收体产生剧烈光热蒸汽的热红外成像图，显示光热蒸汽仅在辐照区产生，大量的光热蒸汽快速地从辐照区的气-液相界面释放出来。CE-LSPR分散液产生高温光热蒸汽时，分散液体相形成巨大的层温差(＞90℃)，高温光热蒸汽具有局域性，蒸汽温度高于105℃；c,d中标尺为2cm。
图6是实施例4中吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽前后扫描电子显微镜(SEM)图，a-c为进行室外光热转换前吸收体的由低倍放大至高倍放大的SEM图；d-f为进行室外光热转换前吸收体的由低倍放大至高倍放大的SEM图；吸收体在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽，产生高温过热蒸汽前后吸收体的形貌和结构稳定，吸收体稳定性强，进行光热转换时，吸收体结构和形貌稳定。
图7是实施例5中吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的特性，包括：高温过热(过饱和)蒸汽、快速和剧烈气化相变、局域性、快速光热蒸汽响应时间和巨大的层温差，以及吸收体在光照时产生光热蒸汽的温度曲线和停止光照后分散液的降温曲线；
其中a为CE-LSPR吸收体产生光热蒸汽的温度曲线中包括气-液界面处椭圆测温区的最高温度(El1.Max.)、长方体测温区的平均温度(Bx1.Average)和长方体测温区的最低温度(Bx1.Min.)，分别表示光热蒸汽的温度(黑线)、分散液体相的平均温度(红线)和分散液体相的最低温度(蓝线)。太阳光光照强度779-769W/m2，温度曲线表明气-液界面释放的高温蒸汽温度为105-110℃，快速的光热蒸汽响应时间(Tb:2.7s)；b为热红外成像显示CE-LSPR吸收体产生高温光热蒸汽具有很强的局域性，高温光热蒸汽仅在辐照区的气-液界面产生，分散液体相形成很强的层温差，温度梯度大于90℃。
图8是本发明实施例5中吸收体进行光热转换持续产生大量的3H光热蒸汽的原位图和对应的原位热红外成像图，吸收体快速、剧烈、持续地产生高温光热蒸汽和气泡，并伴有气泡破裂的爆鸣声；
其中，a-o为吸收体0.5s内快速产生大量3H光热蒸汽的原位瞬态图片，光热蒸汽仅在辐照区的分散液气-液界面产生，并伴有气泡和爆鸣声；a-o下方为对应的原位热红外成像图，从热红外成像可知，CE-LSPR吸收体持续、剧烈、快速产生高温光热蒸汽(＞105℃)具有很强的局域性，分散液体相形成很大的层温差(＞90℃)；图中标尺为2cm。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体制备和室外的全天候系列光热转换产生3H光热蒸汽
(1)非晶体SiO2纳米球的制备，配置溶液A和B，A:3.17ml TEOS+25ml H2O；B:2.52ml(25wt％)NH3·H2O+1.8ml H2O+25ml EtOH；A、B混合后剧烈搅拌30min，50℃反应3h，5000rpm离心无水乙醇洗涤2-3次，离心沉降物105℃烘干，制得非晶体SiO2纳米球(粒径：200±10nm)。
(2)非晶体纳米核上高效负载纳米晶的制备，0.72g步骤(1)得到的非晶体SiO2纳米球分散于30ml去离子水中，30ml 0.15mol/LK4[Fe(CN)6]·3H2O搅拌1h，5000rpm离心水洗3次。洗涤沉降物再分散于30ml去离子水中，超声分散并搅拌均匀，加入15ml 0.175mol/L银氨溶液，剧烈搅拌5-10min，超声条件下反应1h，离心水洗三次，再分散于30ml去离子水得SiO2-AgNCs分散液。
(3)近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体的制备，配置200ml质量分数0.25％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液，PVP的重均分子量为30000，加入85mg硝酸银搅拌均匀，硝酸银浓度为2.5*10-3mol/L。加入6ml步骤(2)得到的表面负载着纳米晶的非晶体纳米核(SiO2-AgNCs)分散液，SiO2-AgNCs的非晶体纳米核上负载着大量的纳米晶。加入1ml 0.06mol/L柠檬酸钠做修饰剂，剧烈搅拌5-10min，超声10min，充分分散。加入4ml 0.4mol/L甲醛溶液，剧烈搅拌5-10min，缓慢搅拌，室温反应2h，水浴加热至75℃，熟化9h，4000rpm离心分离，使用去离子水和无水乙醇依此洗涤两次，制得近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体，分散于30ml去离子水中。
(4)利用近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体进行室外光热转换实验，产生高温、快速和高效的光热蒸汽(3H光热蒸汽)。取适量的步骤(3)得到的近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体分散液，分散于去离子水中，搅拌超声3-5min，均匀分散后，注入光热转换装置。调控吸收体浓度、分散液容量、液面高度，分散液中吸收体的浓度调至至适宜浓度约1013Nanoparticles/L，直接使用室外的低倍率聚焦太阳光辐照吸收体的分散液，即可同时产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽。测量光照前后转换器的质量、分散液温度和太阳光光照强度，测量吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的综合光热转化特性和日均光热转化性能。
测量近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体，在室外进行光热转换产生3H光热蒸汽的全天候(日间不同时间点的太阳光辐照)系列光热转换实验。日照08:58am-16:35pm，平均太阳光光照强度964-313W/m2。随着日照时间推移，全天候不同时间点室外光热转换的平均太阳光光照强由弱至强再至弱，依次为：～566W/m2、～581W/m2、～702W/m2、～805W/m2、～841W/m2、～920W/m2、～932W/m2、～964W/m2、～637W/m2、～519W/m2、～361W/m2、～313W/m2(见图3(a,b))。
室外全天候的光热转换实验表明，近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体分散液在低倍聚光辐照下，持续、剧烈、快速地产生3H光热蒸汽，常压下，敞口的光热转换器产生的光热蒸汽温度高于105-110℃(见图1、图4(g)、图5(d)插图、图7)，光热蒸汽的温度高于常压下水的沸点，为高温过热(过饱和)蒸汽。
近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体的综合光热性能优异，综合光热转换性能包括：光热转化效率(ηce)、蒸汽速率(V(AM1.5))和实际蒸汽速率(Va)，ηce为71.17-87.07％(图3(a,b))，对应的V(AM1.5)和Va的范围分别为11.13-14.58g/(AM1.5·m2·min)(图3(c))0.51-1.57g/min(图3(d))，日间室外光照的各个时间点的光热转换效率均在70％以上(图3(a,b))。
实验表明，CE-LSPR吸收体的光学特性优异，单个CE-LSPR吸收体具有超宽频吸收光谱(图2(a,c))，单个CE-LSPR吸收体可高效俘获太阳光光子，这使得CE-LSPR吸收体在低光照强度太阳光(300-600W/m2)下高效产生光热蒸汽。室外光照实验表明，近全吸收提太阳光的CE-LSPR吸收体，低太阳光辐照的光热转换性优异，光照时间15:40pm-16:35pm的室外实验的低强度的太阳光光强度为519-313W/m2，光热转换效率在80％以上，ηce为82.15-87.07％(图3(a,b))，对应的V(AM1.5)为13.59-14.58g/(AM1.5·m2·min)(图3(c))。实验表明CE-LSPR吸收体可以全日间高效进行光热转换，这一特性极大地拓展了光热转换在日间的运行时长和高效俘获太阳能的日均时间，使得日均光热转换性能优异。全天候(日间不同时间点的太阳光辐照)的系列室外光照实验表明，CE-LSPR吸收体的日均光热转化效率、日均单位面积标准AM1.5光照强度蒸汽速率(日均V(AM1.5))和日均实际蒸汽速率分别为72.4-83.8％(图3(a))、13.4-14.3g/(AM1.5·m2·min)(图3(c))和0.8-1.4g/min(图3(d))。
实施例2
参考实施例1，不同之处在于步骤(4)中吸收体的浓度提高至1.2-1.5倍，太阳光光照强度依次为～875W/m2、～910W/m2、～719W/m2、～690W/m2。近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体的浓度提高后，CE-LSPR吸收体的综合光热性能更佳，最优的室外光热转化实验的综合光热转换性能ηce、V(AM1.5)和Va分别为87.65％(图4(a))、19.30g/(AM1.5·m2·min)(图4(c))和1.52g/min(集光面积：35×35cm，图4(d,e))。产生的光热蒸汽为高温过热蒸汽(见图4(g))，大量的高温蒸汽在辐照区快速释放(见图4(f))。
实施例3
参考实施例1，不同之处在于步骤(1)中非晶体SiO2纳米球(粒径：220±10nm)使用3.78ml(25wt％)NH3·H2O室温反应3h，制备非晶体SiO2纳米球；步骤(2)中加入银氨溶液后反应2h；步骤(3)加入128mg硝酸银搅拌均匀，硝酸银浓度为3.75*10-3mol/L，5ml0.4mol/L水合肼溶液，水浴加热熟化12h；步骤(4)中日照09:41am-16:25pm，平均太阳光强度883-371W/m2，随着日照时间推移，全天候不同时间点室外光热转换的平均太阳光光照强由弱至强再至弱，依次为：～714W/m2、～745W/m2、～790W/m2、～883W/m2、～879W/m2、～868W/m2、～856W/m2、～848W/m2、～833W/m2、～854W/m2、～770W/m2、～725W/m2、～597W/m2、～525W/m2、～493W/m2、～447W/m2、～371W/m2。
光热蒸汽温度高于105-110℃(见图1、图4(g)、图5(d)插图、图7)，光热蒸汽的温度高于常压下水的沸点，为高温过热(过饱和)蒸汽。室外全天候的系列光热转换实验表明，CE-LSPR吸收体持续、剧烈的产生高温、快速和高效的3H光热蒸汽，综合光热转化性能和日均光热转换性能均优异。CE-LSPR吸收体的日均综合光热性能优异，日均ηce、日均V(AM1.5)和日均Va的范围分别为71.2-83.3％(图5(a,b))、13.3-15.4g/(AM1.5·m2·min)(图5(c))和0.9-1.4g/min(图5(d))，日间室外光照的各个时间点的光热转换效率均在70％以上(图5(a,b))。
实施例1-3中低倍聚焦太阳光，聚光度：200-600倍；集光面积：35×35cm；在室外温度18-30℃，相对湿度(RH)≥50％的环境中进行，实施例1-3中产生的光热蒸汽均扣除去离子水在太阳光下的自然挥发量。近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体，吸收体特性优异，单个吸收体的吸收光谱连续地覆盖335-1800nm(见图1、图2(a,b))，吸收96.04％的太阳光(见图3(c))。
值得注意的是，不同于实验室中使用太阳光模拟器在理想(最佳)光照强度下辐照时光热转换仅光热转换效率一个性能优异，本发明方法在不同光照强度辐照的室外太阳光进行光热转换产生3H光热蒸汽的综合光热转换性能优异。
值得注意的是，不同于实验室中使用最佳的光照强度辐照时的光热转换性能，本发明方法高效俘获低光照强度的太阳光，室外的日均光热转换性能优异，室外日均光热转换性能是太阳光能源利用的实际转换性能。
实施例4：
将实施例1和实施例2中进行室外光热转换产生3H光热蒸汽前后的吸收体，进行扫描电子显微镜(SEM)测试，测试吸收体进行光热转换前后的结构和形貌稳定性。本发明方法的近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体的稳定性强，进行光热转换产生高温过热(过饱和)光热蒸汽后，吸收体的结构和形貌稳定(见图6)。
实施例5：
近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体进行室外光热实验产生3H光热蒸汽过程中，使用热红外成像仪原位探测CE-LSPR吸收体分散在水中持续产生3H光热蒸汽的特性，包括：高温、快速、剧烈气化相变、蒸汽局域性、快速的光照响应和巨大的层温差，原位测量蒸汽温度，同时原位探测吸收体分散液进行光热转换时的温度分布。近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体进行室外光热实验产生3H光热蒸汽具有高温、快速和局域性的特性，CE-LSPR吸收体的分散液聚光辐照时仅在辐照区剧烈产生高温的过热(过饱和)蒸汽和气泡，蒸汽温度通常在105-110℃以上(图7、图8)，蒸汽温度超过水在标准大气压下的沸点，是高温过热(过饱和)蒸汽，高温过热蒸汽的热能为高品位热能。持续、剧烈、大量的高温光热蒸汽、气泡快速从辐照区释放出来(图8)，并伴随气泡破裂的爆鸣声仅在分散液的气-液界面的辐照区产生，而非将分散液的体相加热，具有很强的局域性。上层辐照区的气-液界面同转换器底层的分散液形成较大的层温差(图7、图8)。辐照区在CE-LSPR吸收体的驱动下快速发生气化相变形成过热饱和蒸汽，上层辐照区产生高温过热蒸汽，蒸汽温度超过水在标准大气压下的沸点，而底层的分散液温度基本不变，随着辐照进行，光热蒸汽大量产生，分散液液面下降，同时局域的高温辐照区通过热传导和热对流将热量下低温区传递，层温差缩小。热红外成像显示分散液体相形成很大的层温差，分散液光照区的气-液界面和分散液底部温差甚至超过90℃(见图7和图8)。CE-LSPR吸收体进行光热转换的局域性源于强大的高温热点将吸收的光能超快(100ps to 10ns)地转移至周围介质，并驱动周围介质快速气化相变。局域性有助于CE-LPSR吸收体的综合光热性能提升，也是CE-LSPR吸收体分散液的体相在光热转换时形成巨大层温差的原因。
近全吸收太阳光的CE-LSPR吸收体进行光热转换产生3H光热蒸汽的快速光热响应特性，吸收体分散液聚光辐照初始至产生高温过热蒸汽的光热蒸汽响应时间(theresponse time of generatingboiling vapor,Tb)反映吸收体在光照初始阶段，产生高温光热蒸汽所需要的时间，可以体现吸收体的光热转换性能。CE-LSPR吸收体具有超宽的光吸收光谱，近全吸收太阳光，光特性优异，进行光热转换产生3H光热蒸汽时，光热蒸汽响应时间极短，Tb仅为2.7s(见图7(a))。快速的光热蒸汽响应体现了CE-LSPR吸收体的优异光热转换特性，停止光照，气-液界面立刻停止产生蒸汽，界面的温度也随之下降，分散液体相温度冷却至较低温度(～40℃)时，再次聚光辐照，CE-LSPR吸收体的分散液气-液界面立刻产生3H蒸汽，持续、剧烈、快速的高温光热蒸汽和气泡在辐照区产生，Tb低于4s(见图7(a))。图7(a)第二、三次聚光辐照时，分散液的体相温度高40℃，对应的Tb均小于4s。室外光照实验的温度曲线表明，CE-LSPR吸收体综合光热性能优异的实验，Tb为2.5-3.7s(图7(a))。快速的光热蒸汽响应源于CE-LSPR吸收体的强吸收和超宽频吸收光范围，Tb也是衡量吸收体综合光热转换特性的因子，极短的Tb表明CE-LSPR吸收体具有优异的光热转换性能，初始光照阶段CE-LSPR吸收体可以快速产生3H蒸汽。

Claims (5)

1.一种耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)非晶体纳米材料分散于去离子水或蒸馏水或超纯水中，配置成浓度为0.01-0.03mol/L的分散液，加入浓度为0.1-0.3mol/L的亚铁基修饰剂搅拌0.5-1.5h，反应体系中非晶体纳米材料与亚铁基修饰剂的摩尔比为(2-5):1，3000-8000rpm离心水洗，洗涤后沉降物再分散于水中，超声分散并搅拌均匀，加入浓度为0.05-0.3mol/L银纳米晶前驱体溶液，剧烈搅拌5-10min，超声条件下反应1-2h，使用水离心洗涤三次，再分散于水中制得产物分散液，置于室内贮存；所述非晶体纳米材料选自SiO2纳米球、聚苯乙烯微球、纳米氧化钛和纳米碳颗粒中的任一种；
2)配置质量分数0.2-0.5％聚乙烯吡咯烷酮溶液，加入硝酸银搅拌均匀使硝酸银浓度为1.5*10-3-6*10-3mol/L；其中聚乙烯吡咯烷酮浓度以单体计算，聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量Mw＝8000-58000；注入步骤1)制备的表面负载着银纳米晶的非晶体纳米核分散液，加入0.03-0.1mol/L柠檬酸钠做修饰剂，剧烈搅拌、超声分散，加入还原剂溶液，其中硝酸银、柠檬酸钠和还原剂的摩尔浓度比为(1-4):(0.04-0.15):(2.5-8)，剧烈搅拌5-10min后缓慢搅拌，室温反应1-3h，水浴加热至60-90℃，熟化6-12h，3000-6000rpm离心分离，使用去离子水和无水乙醇依次洗涤两次得到耦合增益局域表面等离子体共振效应吸收体，分散于去离子水或无水乙醇分散剂中得到耦合增益局域表面等离子体共振效应吸收体的分散液；
3)取步骤2)得到的耦合增益局域表面等离子体共振效应吸收体分散液，分散于去离子水或有机溶剂，搅拌超声3-5min，均匀分散后，注入光热转换装置，调控吸收体的浓度、分散液容量、液面高度，直接使用室外的低倍率聚焦太阳光辐照吸收体的分散液，同时产生高温、快速和高效的光热蒸汽。
2.根据权利要求1所述耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，其特征在于，所述非晶体纳米材料SiO2纳米球的制备方法如下：配置溶液A和B，溶液A由正硅酸乙酯和水混合而成；溶液B由NH3·H2O和水和无水乙醇混合而成；溶液A、B混合后剧烈搅拌，TEOS:NH3·H2O:H2O:EtOH摩尔浓度比为1:(0.8-1.5):(0.4-0.8):(6-8)，20-70℃反应3h，3000-8000rpm离心无水乙醇洗涤2-3次，离心沉降物105℃烘干，制得非晶体SiO2纳米球，SiO2纳米球粒径：30-500nm。
3.根据权利要求1所述耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的光热转换装置中分散液含有的吸收体低于0.33wt‰，吸收体的浓度1011-1013Nanoparticles/L。
4.根据权利要求1所述耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，其特征在于，步骤3)中阳光光照强度：300-1200W/m2，聚光度：200-600倍。
5.根据权利要求1所述耦合增益局域表面等离子体共振吸收体近全吸收太阳光全天候产生光热蒸汽的方法，其特征在于，步骤3)分散剂为去离子水时制备高温水蒸汽，适用于海水淡化、净水处理、高温蒸汽灭菌杀毒、工业蒸汽、家庭取暖、太阳能热水器、蒸汽发电；分散剂为有机溶剂、水和有机溶剂混合液、不同有机溶剂混合液，通过产生蒸汽进行分离提纯。
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