一种自漂浮高效光热转换海水淡化材料的制备方法及应用与流程

本发明涉及光热转换及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种自漂浮高效光热转换海水淡化材料的制备方法及应用。

背景技术：

地球上拥有丰富的水资源，海水覆盖面积达71％，但不能直接用于生活用水和饮用水。地球上淡水资源只占水资源总量的2.5％，其中可供人类支配的淡水资源不足0.36％。特别是进入20世纪以来，世界人口急剧增加，环境污染和生态破坏严重，人类无节制的开采及管理不善更加剧了水资源的供需矛盾,太阳能是一种可持续清洁能源，将太阳能转化为可直接应用于日常生活的能源是巨大的机遇和挑战。例如，太阳能电池将太阳能转化为电能，太阳能热水器将太阳能转化为热能，利用太阳能光热转化实现海水淡化，引起了人们的极大关注。因此，寻找一种高效吸收太阳能，并有效转为热能用于海水淡化的光热材料迫在眉睫。

为了高效地将太阳能转化为热能，目前提高光吸收的光热材料有很多类。例如等离子体金属纳米结构、碳基材料包括石墨烯、碳纳米管，碳化生物质导电聚合物和窄带隙半导体tio2，同时利用二维或三维多孔纳米结构作为高效输水的基质来构建高性能太阳能水蒸发，贵金属纳米材料虽然可以达到较高的光热效率，但由于贵金属含量稀少且价格昂贵，所以限制了其大规模的应用，并且将吸光剂涂覆在多孔基体上使其能够漂在水面上是一个复杂的过程，所以开发低成本和可大规模应用的的材料以实现最佳的吸光、高效热能转换和水蒸发是一项极具挑战性的工作。

寻找自漂浮高效光热转换海水淡化材料，可以从三方面进行考虑。首先是1、它们必须在整个太阳光谱中有着宽光谱吸收；2、发射率低，光热转换效率高；3、导热系数低，实现局部高温，以达到高效太阳能海水淡化；4、相互连接的孔隙，促使流体流动到结构中。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前现有光热材料存在的问题，获得一种低成本，宽光谱响应且可以实现自漂浮的高效光热材料，本发明提供了一种自漂浮高效光热转换海水淡化材料的制备方法及应用。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：所述材料以3d网状结构泡沫镍为基体材料，利用化学方法在3d网状结构中生长出高效光热转换的复合纳米结构的黑体吸收材料。

自漂浮高效光热转换海水淡化材料，其特征在于，在3d网状结构泡沫镍基底上生长有复合纳米结构的黑体吸收材料；

优选的，所述的基底材料3d网状结构泡沫镍，优选，孔径为110ppi，表面密度250g/m²，厚度1mm。

优选的，所述复合纳米结构的黑体吸收材料为过渡金属及含缺陷的所述过渡金属的氧化物的复合物，比如镍黑即镍/镍氧化物的复合物，铬黑即铬/铬氧化物的复合物，铁/富有缺陷的氧化铁复合物，铜/富有缺陷的氧化铜复合物，以及钴/富有缺陷氧化钴复合物等其中至少一种复合物，具有宽光谱吸收，可以实现自漂浮。

上述所述自漂浮高效光热材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)利用水热合成的方法，在干净的3d网状结构泡沫镍基底上生长过渡金属氢氧化物；

(2)将步骤(1)中获得的生长过渡金属氢氧化物的泡沫镍用去离子水清洗、干燥，然后在马弗炉中煅烧使过渡金属氢氧化物生成过渡金属氧化物，控制煅烧温度范围是300-550℃，时长为1-3h；

(3)将步骤(2)得到的含有生成过渡金属氧化物的泡沫镍用还原剂进行水热还原，使得过渡金属氧化物部分还原生成过渡金属纳米颗粒；控制还原剂的浓度以及水热还原的时长，还原剂浓度为0.05-1m，还原反应温度为120-180℃，优选160℃，还原时长为0.5h-5.5h，如还原剂水溶液的浓度为0.08m，0.17m，0.26m，0.34m，0.44m，0.87m，还原温度160℃，还原时长为0.5h，1.5h，2.5h，3.5h，4.5h，5.5h；用去离子水清洗、干燥，获得高效光热转换的复合纳米结构的黑体吸收材料。

步骤(1)中水热合成氢氧化物质的原料可以是过渡金属硝酸盐和尿素、过渡金属硝酸盐和六次甲基四胺、过渡金属氯化盐和尿素、或者是过渡金属氯化盐和六次甲基四胺等中的任意一组。

步骤(1)过渡金属氢氧化物为纳米结构，为纳米片状结构、纳米棒、纳米颗粒等，过渡金属氢氧化物纳米结构在3d网状结构泡沫镍基底上组装成形成过渡金属氢氧化物层，所述的层为3d网状结构、层叠组装结构等；纳米片状的厚度、纳米棒的直径、纳米颗粒的粒径等最小表征尺寸为0.5-20nm。

步骤(3)水热还原中还原剂可以为硼氢化钠或者水合肼等。

所述自漂浮复合纳米结构的高效光热转换材料应用于海水淡化的方法，包括以下步骤：将所述自漂浮复合纳米结构的高效光热转换材料，放到装满海水或污水的烧杯中，烧杯置于分析天平上，在模拟太阳光光照射下，进行太阳能海水淡化，与装有失重软件的电脑输出端相连，实时输出失重数据，蒸汽冷凝回收得到淡水。

模拟太阳光采用am1.5g，光照强度为100mw/cm²。用欧普士pi450型号的红外热像仪实时测量样品表面的温度。

本发明所述高效光热转换海水淡化材料中基底泡沫镍，有着疏水性以及良好的机械强度，利用其相互连接的孔隙结构的毛细作用连续输送水分并降低蒸发势垒；本发明所述光热材料具有宽光谱吸收，且兼具自漂浮性能和低热导，这有利于局域高温的产生，促进水的蒸发，可以防止热能的大量损失，因而水蒸气产生效率高，同时，利用本发明材料的高效光热转换特性，可应用于海水淡化领域，解决淡水资源匮乏的问题，节能环保。

本发明的有益效果如下：

1)本发明经济成本低，实验操作简单，光热材料性能稳定，可以大规模生产和广泛应用。

2)本发明利用镍基复合纳米材料中过渡金属的等离子体效应以及富有缺陷的氧化物对太阳光的宽光谱响应大大增强了对太阳光的吸收，且兼具自漂浮性能低热导和，这有利于局域高温的产生，防止热能的大量损失，促进水的蒸发，因而水蒸气产生效率高。

3)利用本发明材料的高效光热转换特性，可应用于海水淡化领域，解决淡水资源匮乏的问题，节能环保。

附图说明

图1为合成一种自漂浮高效光热转换海水淡化材料的流程图；

图2为实施例1得到的中间产物一氢氧化镍的微观结构扫描电子显微图；

图3为实施例1得到的中间产物二氧化镍的微观结构扫描电子显微图；

图4为实施例1得到的最终产物自漂浮高效光热转换海水淡化材料的微观结构扫描电子显微图；

图5为实施例1得到的一种自漂浮高效光热转换海水淡化材料及中间产物的紫外/可见/近红外吸收光谱图。

图6为实施例1得到的自漂浮高效光热转换海水淡化材料的接触角。

图7为实施例2得到的中间产物一氢氧化铁的微观结构扫描电子显微图的微观结构扫描电子显微图。

图8为实施例3得到的中间产物一氢氧化铜的微观结构扫描电子显微图的微观结构扫描电子显微图。

图9为实施例1得到的自漂浮高效光热转换海水淡化材料及实施例1中的中间产物在模拟太阳光下的失重示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加明确，结合实例对本发明进行说明。下面给出的本发明的实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1：利用水热合成的方法，在干净的泡沫镍基底材料上生长有自漂浮高效光热转换海水淡化材料镍黑。

1)将购买的泡沫镍用3m稀盐酸、乙醇、去离子水各超声清洗30min、15min、15min，之后放在恒温干燥箱中60℃，干燥12h。

2)在装有40ml去离子水烧杯中加入六水合硝酸镍和六次甲基四胺，比例为1:2，置于搅拌台上搅拌均匀以形成均一透明的溶液，将溶液转移到100ml的反应釜中，将步骤1)获得的泡沫镍剪成2*2cm²的大小，一并放入反应釜中，水热合成100℃，10h。

3)将(2)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到中间产物一即长有氢氧化镍的泡沫镍基材料。

制备得到的长有氢氧化镍的泡沫镍基材料，是垂直生长在泡沫镍表面的，纳米薄片只有几纳米厚(如图2所示)。

4)将(3)中获得的生长有氢氧化镍的泡沫镍放于马弗炉中，控制其煅烧温度和时长，温度范围400℃，时长为1h。

高温煅烧得到的长有氧化镍的泡沫镍基材料，其纳米片状结构未发生变化(如图3所示)。

5)将(4)中将生长有氧化镍的泡沫镍用其中的一种还原剂水合肼进行水热还原，控制其还原剂的浓度以及水热还原的时长，浓度为0.44m，还原温度为160℃，还原时长为1.5h。

6)将步骤(5)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到最终产物即长有自漂浮高效光热转换海水淡化材料镍黑。

制备得到的自漂浮高效光热转换海水淡化材料镍黑，是纳米薄片和纳米颗粒的形貌(如图4所示)。复合纳米结构的光热材料在250～2500nm范围内的光吸收率为91％(如图5所示)，同时可以实现自漂浮(如图6所示)。

实施例2：利用水热合成的方法，在干净的泡沫镍基底材料上生长有铁/富有缺陷的氧化铁复合物。

1)将购买的泡沫镍用3m稀盐酸、乙醇、去离子水各超声清洗30min、15min、15min，之后放在恒温干燥箱中60℃，干燥12h。

2)在装有40ml去离子水烧杯中加入六水合氯化铁和六次甲基四胺，比例为1:2，置于搅拌台上搅拌均匀以形成均一透明的溶液，将溶液转移到100ml的反应釜中，将步骤1)获得的泡沫镍剪成2*2cm²的大小，一并放入反应釜中，水热合成100℃，10h。

3)将(2)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到中间产物一即长有氢氧化铁的泡沫镍基材料。

制备得到的长有氢氧化铁的泡沫镍基材料结构(如图7所示)。

4)将(3)中获得的生长有氢氧化铁的泡沫镍放于马弗炉中，控制其煅烧温度和时长，温度400℃，时长为1h。

5)将(4)中将生长有氧化铁的泡沫镍用一种还原剂进行水热还原，控制其还原剂的浓度以及水热还原的时长，浓度为0.44m，还原温度为160℃，还原时长为1.5h。

6)将步骤(5)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到最终产物即长有自漂浮高效光热转换海水淡化材料金属铁/富有缺陷的氧化铁复合物。

实施例3：利用水热合成的方法，在干净的泡沫镍基底材料上生长有自漂浮高效光热转换海水淡化材料铜/富有缺陷的氧化铜复合物。

1)将购买的泡沫镍用3m稀盐酸、乙醇、去离子水各超声清洗30min、15min、15min，之后放在恒温干燥箱中60℃，干燥12h。

2)在装有40ml去离子水烧杯中加入二水合氯化铜和六次甲基四胺，比例为1:2，置于搅拌台上搅拌均匀以形成均一透明的溶液，将溶液转移到100ml的反应釜中，将步骤1)获得的泡沫镍剪成2*2cm²的大小，一并放入反应釜中，水热合成100℃，10h。

3)将(2)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到中间产物一即长有氢氧化铜的泡沫镍基材料。

制备得到的长有氢氧化铜的泡沫镍基材料结构(如图8所示)。

4)将(3)中获得的生长有氢氧化铜的泡沫镍放于马弗炉中，控制其煅烧温度和时长，温度400℃时长为1h；

5)将(4)中将生长有氧化铜的泡沫镍用一种还原剂进行水热还原，控制其还原剂的浓度以及水热还原的时长，浓度为0.44m，还原温度为160℃，还原时长为1.5h。

6)将步骤(5)中获得的材料用去离子水反复清洗，在60℃进行干燥，得到最终产物即长有自漂浮高效光热转换海水淡化材料铜/富有缺陷的氧化铜复合物。

实施例4：模拟太阳光水蒸发实验。

将实施例1-3中制得的纳米结构的材料，大小为2*2cm²，放到装满海水或污水的25ml烧杯(烧杯口的直径为3cm)中，烧杯置于分析天平上，采用am1.5g模拟太阳光，光照强度为100mw/cm²，在模拟太阳光照射下，进行太阳能海水淡化，分析天平与电脑输出端相连，实时检测120分钟内水分质量的变化并记录下来，并对空白泡沫镍基底及有无光照情况下的水蒸发做了对比，相关数据见图9(纵坐标是单位面积内水的蒸发量)。将太阳能转换为热能加热海水或者污水产生的蒸汽冷凝回收，从而得到淡水。