一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光热转换材料领域，具体涉及一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：通过太阳能光热转换的方式来实现海水的蒸腾-冷凝-淡化是一条高效、低成本并且环保的供水方案。然而，现有的商用技术光热转换效率较低。cn108483427a公开了一种光热转换材料，包括：基体；多个柱状结构，所述多个柱状结构间隔设置在所述基体的至少一个表面，其中，形成所述基体与所述多个柱状结构的材料包括石墨烯泡沫。在1kw/cm2太阳光强度下，利用该光热转换材料进行太阳能水蒸发速率可以为1.87-1.93kg/m2·h。然而，在实际应用过程中，上述光热转换材料存在光热性能效率相对较低、石墨烯原料成本高、激光加工过程复杂等缺陷。技术实现要素：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用。本发明利用三维微纳金属构型的表面等离子体空间增强效应，实现高效光热水蒸发过程。本发明所采用的技术方案如下：一种高聚物仿生构型光热转换材料，包括：模板及包覆于其表面并形成连续的金属膜；所述模板为高聚物仿生构型材料；所述高聚物仿生构型材料为三维光子晶体结构，其非对称突起结构呈周期式均匀分布于材料表面；所述金属膜由贵金属纳米颗粒形成。申请人通过研究发现，在特定的共振波长下，纳米金属颗粒具有强烈光吸收的特性，经由仿生构型(蝶翅鳞片)进一步增强，利用等离子光热效应能够产生瞬间、局域的高热量来驱动液体蒸发过程，该效应可在空气-水界面处产生局部热区；同时由于蝶翅悬浮于近水表面处，因此产生的蒸汽能够立即被释放到空气中，避免了从低温未加热区域到界面处的转移所产生的能量损耗，提高了转化效率。在这一体系中，绝大部分的热能都被用于加热蒸发液体，相比现有光热转换材料，最大程度减少了热损失，从而大幅提升了热-蒸汽转化效率，为新型光热转换海水淡化材料的设计提供了新思路与新途径。所述高聚物仿生构型材料的仿生构型的脊宽400-500nm，相邻脊间距200-300nm。所述高聚物仿生构型材料由如下方法制得：(1)筛选自然生物光子晶体构型的层次及尺度；(2)根据筛选结果，模拟蝶翅鳞片结构建立模型；所述建模方法包括但不限于:有限元方法(fem)、时域有限差分法(fdtd)。(3)调整选材方案及架构参数，批量制备大面积高聚物微纳仿生构型。所述制备方法包括但不限于：光刻法、3d打印。所述模板的材质包括但不限于：硅板、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。所述贵金属选自金、银、铂、铱、钌、铑中的一种或多种。所述金属膜的厚度为20-50nm；优选30-50nm。作为本发明的优选实施方式之一，所述高聚物仿生构型光热转换材料包括：模板及包覆于其表面并形成连续的金属膜；所述模板材质为硅板，其具有三维光子晶体结构，其非对称突起结构呈周期式均匀分布于材料表面；其仿生构型的脊宽400-500nm，相邻脊间距200-300nm；所述金属膜由金纳米颗粒形成，厚度为20-50nm；优选30-50nm。本发明还提供上述光热转换材料的制备方法，包括：以高聚物仿生构型材料为模板，在其表面形成金属膜。采用上述特定构型的模板及金属膜相适配，可以获得均匀性、一致性好的光热转换仿生金属结构。所述金属膜形成的方法包括但不限于：化学镀、气相沉积、物理蒸镀、磁控溅射；优选物理蒸镀、化学镀。其中，所述物理蒸镀的过程为：将高聚物仿生构型材料置于蒸镀仪内，通过调整设定时间(包括抽真空等时间)、蒸镀次数和蒸镀角度(金离子喷射方向与样品表面夹角)来控制金属膜的厚度、颗粒尺寸、保形程度。进一步的，所述设定时间可以为60-210s，如60s、120s、150s、180s、210s；进一步的，所述蒸镀次数可以为1-5次，如1次、2次、5次；进一步的，所述蒸镀角度可以为90°、80°。作为优选的实施方式，所述设定时间为180°，蒸镀次数为5次，蒸镀角度为80°。在此条件下，所得光热转换材料的综合性能最佳。所述化学镀的过程为：在高聚物仿生构型材料的表面引入纳米颗粒(au、ceo2等)作为催化剂，进行表面功能化处理；随后以贵金属盐溶液为前驱体，在常温下通过化学方法在高聚物仿生构型材料表面还原贵金属离子为金属单质。进一步的，所述化学镀得时间为20-30min；进一步的，所述贵金属盐溶液由质量浓度的0.2～5％贵金属盐溶液、2～5％氨水，2～10％络合剂、余量的水组成；其中，所述贵金属盐为硝酸银、溴化银、氯金酸钠、氯铂酸、氯铱酸中的一种；所述络合剂为柠檬酸钠、edta二钠盐、三乙醇胺、酒石酸钾纳中的一种或多种。本发明还提供上述高聚物仿生构型光热转换材料在光热水蒸发、海水淡化、光热转换等领域中的应用。本发明的有益效果如下：本发明结合贵金属的局域表面等离子共振效应，参考自然界中具有光子晶体结构的生物结构(蝶翅)建立模型，对其微观结构进行分析抽象和计算模拟，实现高聚物仿生微纳构型的大面积制备；再通过高聚物仿生金属化，获得一致性好、性能优异且结构能够人工调控的光热转换材料。此外，本发明可通过调节构型参数实现光热转换效率的提升，有利于推动传统光热转换材料设计思路的革新以及相关产品的升级换代，对于海水淡化等重大工程领域具有重要价值。附图说明图1是实施例1建立的模型中，不同脊宽和间距对不同波长(500nm、600nm、700nm、800nm)的光的等离子局域增强效应模拟图。图2是实施例1光刻制备得到的高聚物仿生微纳构型的sem形貌图。图3是实施例1采用不同蒸镀处理时间和角度得到的高聚物仿生微纳构型金属化表面的形貌sem图。具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1高聚物仿生构型光热转换材料的制备步骤如下：(1)首先根据各种典型蝶翅鳞片微结构尺度的实验测量结果合理建模采用基于有限元方法的comsol多场模拟软件计算，研究几何构型对于电磁场局域的影响规律，如图1所示。波长选择500nm、600nm、700nm、800nm。模拟结果表明，在脊宽为500nm，间距300nm的情况下取得了较好的光热增强效果。通过光刻法在硅板基底上制备高聚物仿生微纳构型，如图2所示，所得结构脊宽为460nm，间距为270nm。(2)将步骤(1)所得具有高聚物仿生微纳构型的模板(1-2cm2)放入无水乙醇中，超声清洗10分钟，然后用蒸馏水清洗多次，除去模板表面残余的乙醇。(3)蒸镀处理：将清洗后的模板置于msp-1s蒸镀仪内；为了控制金属镀层的厚度、晶粒度尺寸和保形程度，调整设定时间为96s(包括其中抽真空等时间60s)，将模板一侧垫起以调整入射角度(金离子喷射方向与样品表面夹角)为80°开始蒸镀。以同样方式一共蒸镀五次，每次调整模板倾斜角度。(每次蒸镀时间为96-60＝36s；一共蒸镀5次，36*5＝180s)蒸镀结束后，用去离子水清洗，干燥。采用不同蒸镀处理时间和角度(表1)得到的高聚物仿生微纳构型金属化表面的形貌sem图，如图3所示。表1(a)(b)(c)(d)(e)(f)蒸镀时间60s120s150s180s180s210s蒸镀角度90°90°90°90°80°80°通过图3sem观察可知，金离子从各个方向均匀完整地沉积在模板表面，甚至在类脊结构之间的凹槽中也可以观察到均匀的金颗粒。而且，该方法没有对原有三维周期结构造成覆盖和破坏，并且随着蒸镀时间的延长，金颗粒逐渐变大。实施例2高聚物仿生构型光热转换材料的制备步骤如下：(1)通过光刻法在硅板基底上制备高聚物仿生微纳构型，所得结构脊宽为460nm，间距为270nm。(2)将高聚物仿生构型模板(1-2cm2)放入无水乙醇中，超声清洗10分钟，然后用蒸馏水清洗多次，除去模板表面残余的乙醇。(3)活化处理：将清洗后的模板浸入乙二胺(eda)溶液中，需保证整片模板在液面以下，盖上表面皿盖后于避光处浸泡2小时后取出，用去离子水反复冲洗表面(水流不可过大，防止破坏仿生结构，本步骤的冲洗需彻底保证模板表面无乙二胺残留)。配置1g/100ml的氯金酸(haucl4)水溶液(本溶液需在4℃以下保存)，将模板浸入氯金酸水溶液中(0.5g/100ml)，需保证整片板材在液面以下，浸泡时溶液仍澄清，无黄色沉淀产生，盖上表面皿盖后于避光处浸泡4小时；将浸泡后的模板取出，用去离子水反复冲洗表面(水流不可过大，防止破坏仿生结构)，将其浸入nabh4水溶液(1mol/l)中，还原吸附在模板表面上的aucl4-离子，5分钟后用去离子水清洗，干燥。(4)化学施镀：将已经进行活化处理的模板置于干燥的表面皿中，配置镀液并搅拌；镀液成分为：nacl(0.30g)；l-酒石酸(0.20g)；naoh(2.57g)；乙醇(3.5ml)；去离子水(50ml)。先后向表面皿中分别滴加5ml的haucl4溶液(1g/100ml)和5ml镀液，在震荡条件下进行化学施镀，持续5-15分钟，至高聚物表面变金黄色停止。取出板材，用去离子水清洗，浸入无水乙醇中保存。本实施例提供的新型光热蒸发材料的光热转换效率达到75.16％。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12