一种光热复合膜及其制备方法和用途

本发明涉及材料领域，特别涉及一种光热复合膜及其制备方法和用途。

背景技术：

1、太阳能是一种理想的可再生资源，具有清洁无污染的优势。目前对太阳能的利用主要集中在太阳能光电上，太阳能热利用技术仍处于初步阶段。为提高对太阳能的综合利用率，发展太阳能热利用技术极具必要性和现实意义。

2、单分子层第va族材料在宽带光子响应中具有独特的优势，因其带隙范围较广，对应的发光范围波长从近红外到可见光。在当下热门的2d材料包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷和迈克烯。其中，石墨烯是零带隙的半金属，大多数过渡金属是天然的直接间隙半导体，带隙覆盖在1.5 -2.5ev，不适用于光电子器件中。黑磷具有较宽的带隙并且通过调控其层数，可以实现从本体的0.3ev到少层的2ev，但是黑鳞不稳定，在环境中极易氧化限制了其应用。作为同族元素，锑烯有着宽的带隙(0.80-2.28ev)的同时且具有较强的稳定性，是一种理想的光电子响应材料。

3、少层锑烯纳米片具有高的载流子迁移率、优异的热导性能、常温下超稳定等优点，可以通过调控锑烯纳米片层数来改变其带隙值，是一种理想的光电子材料。采用液相剥离可规模化制备少层锑烯纳米片，再通过离心方式可以对不同层数的锑烯纳米片进行分离，达到带隙值调控的目的。然而，剥离后得到的少层锑烯纳米存在着片间作用力较弱、难以结合等问题，阻碍了锑烯纳米片材料的广泛应用。

4、因此，如何将具有宽带光子响应、高载流子迁移率和优异热导性能的锑烯纳米片制备成高强度的膜材料，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种光热复合膜，其具有优异的机械性能和光热性能，在太阳能热电发电领域具有广泛的应用前景。

2、本发明的目的之二是提供上述光热复合膜的制备方法，整个制备方法工艺简单、安全环保，适合于大规模工业化生产。

3、实现本发明目的之一的技术方案是：一种光热复合膜，包括纳米纤维素、少层锑烯纳米片，所述纳米纤维素通过氢键形成交错的网络结构，所述少层锑烯纳米片分布在网络结构中，组合构成光热复合膜。

4、优选的，所述纳米纤维素和锑烯纳米片的质量比为3-38：2，纳米纤维素的直径为3-5nm，长径比＞1000，少层锑烯纳米片的厚度为4-12nm。

5、优选的，所述锑烯纳米片均匀分布在网络结构中，光热复合膜的厚度为5-7μm。

6、实现本发明目的之二的技术方案是：任一上述光热复合膜的制备方法，包括以下步骤：

7、1)取纳米纤维素水分散液、少层锑烯纳米片水分散液，混合，超声处理得到悬浮液；

8、2)悬浮液抽滤后干燥，得到光热复合膜。

9、进一步的，步骤1)所述少层锑烯纳米片水分散液采用包括以下步骤制备：

10、1)取金属锑，研磨为金属锑粉；

11、2)金属锑粉加入溶剂中，得到混合溶液，溶剂为异丙醇和水的混合物；

12、3)混合溶液在冰水浴条件下超声处理，超声处理的方法为：每间隔2s超声3s；

13、4)超声处理结束后，先在1000-1500rpm条件下离心3min，收集上清液，上清液在6000-7000rpm离心15min，收集沉淀；

14、5)收集的沉淀分散在蒸馏水中，重复离心，得到少层锑烯纳米片水分散液。

15、优选的，步骤1)金属锑的纯度≥99.99％，研磨时加入乙醇，乙醇和金属锑的质量比为1:10，步骤2)异丙醇和水的体积比为4：1，步骤3)超声处理时间为40min。

16、优选的，步骤1)纳米纤维素水分散液、少层锑烯纳米片水分散液的浓度为0.5-1.0wt％。

17、优选的，步骤2)所述干燥，为自然干燥。

18、本发明还提供了任一上述光热复合膜在用于太阳能热电发电中的用途。

19、进一步的，所述太阳能热电发电通过光热复合膜吸收太阳能产生热量，产生的热量通过热电偶产生电压。

20、采用上述技术方案具有以下有益效果：

21、1、本发明提供的光热复合膜，由一维的纳米纤维素和二维的锑烯纳米片构成，集优异的机械性能和光热性能为一体，拉伸强度可达到294.74mpa以上，在模拟太阳光源照射下80s内温度可上升至80.3℃并保持稳定，在太阳能热电发电领域具有广泛的应用前景。

22、2、本发明提供的光热复合膜，通过限定纳米纤维素和锑烯纳米片的质量比为3-38：2，纳米纤维素的直径为3-5nm，长径比＞1000，其透明度高，可减少太阳光的损失。少层锑烯纳米片的厚度为4-12nm，保证均匀分散在纳米纤维素水分散体系中，形成稳定的分散液，使得抽滤后得到的复合膜力学性能较好。

23、3、本发明制备方法，利用纳米纤维素水分散液和少层锑烯纳米片水分散液作为原料，经混合后超声处理，然后抽滤干燥得到目标复合膜，制备过程简单、安全环保，可大规模工业化生产。

24、4、本发明制备方法，利用纳米纤维素作为主要原料，具有可再生、成本低廉、绿色环保的优势。将原料制备为水系分散液，在溶液体系中完成氢键结合，然后与锑烯纳米片水分散液混合后，通过超声破坏氢键结构，使锑烯纳米片均匀分散在纳米纤维素水系分散液中，且氢键重组，将锑烯纳米片包裹在重组的纤维素网络中，最后通过抽滤干燥，得到均一的纤维素基锑烯复合膜，有效解决了传统锑烯膜强度不高的问题。

25、5、本发明制备方法，在锑金属研磨的过程中加入少量乙醇可以起到润滑作用，使锑金属得到充分的研磨使锑粉进一步细化，有利于锑粉在超声的过程中进行液相剥离。在超声剥离的过程中使用体积比为4:1的异丙醇/水作为溶剂，这种配比的溶剂表面张力较大，可以更好的插入到锑粉层间使锑烯纳米片得到分离获得更多的锑烯纳米片。液相剥离结束后对混合液进行离心，可以实现对溶液中的锑烯纳米片的分级，在1000-1500rpm下离心收集上清液可以将未剥离的锑粉分离得到锑烯纳米片混合液，在6000-7000rpm下离心可以收集到剥离的锑烯纳米片，加入蒸馏水混合并在6000-7000rpm离心收集锑烯纳米片，保证收集到的锑烯纳米片的纯度。最后加入蒸馏水取少量溶液干燥后得到锑烯纳米片混合液的浓度后再进行定量得到1wt％的锑烯纳米片水分散液。

26、经申请人试验，本发明制备得到的光热复合膜，在模拟太阳光源照射下80s内温度可以上升到80.3℃并保持稳定，光热性能较好。与商用热电偶连接，4×4cm2的纳米纤维素基光热复合膜在太阳光照射下可以产生高达86mv的电压。

27、下面结合附图和具体实施方式作进一步的说明。

技术特征：

1.一种光热复合膜，其特征在于，包括纳米纤维素、少层锑烯纳米片，所述纳米纤维素通过氢键形成交错的网络结构，所述少层锑烯纳米片分布在网络结构中，组合构成光热复合膜。

2.根据权利要求1所述的光热复合膜，其特征在于，所述纳米纤维素和锑烯纳米片的质量比为3-38:2，纳米纤维素的直径为3-5nm，长径比＞1000，少层锑烯纳米片的厚度为4-12nm。

3.根据权利要求1所述的光热复合膜，其特征在于，所述锑烯纳米片均匀分布在网络结构中，光热复合膜的厚度为5-7μm。

4.权利要求1-3任一光热复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述少层锑烯纳米片水分散液采用包括以下步骤制备：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)金属锑的纯度≥99.99％，研磨时加入乙醇溶液，乙醇和金属锑的质量比为1:10，步骤2)异丙醇和水的体积比为4：1，步骤3)超声处理时间为40min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)纳米纤维素水分散液、少层锑烯纳米片水分散液的浓度为0.5-1.0wt％。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述干燥，为自然干燥。

9.权利要求1-3任一光热复合膜在用于太阳能热电发电中的用途。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述太阳能热电发电通过光热复合膜吸收太阳能产生热量，产生的热量通过热电偶产生电压。

技术总结
一种光热复合膜，包括纳米纤维素、少层锑烯纳米片，所述纳米纤维素通过氢键形成交错的网络结构，所述少层锑烯纳米片分布在网络结构中，组合构成光热复合膜，采用以下步骤制备：1)取纳米纤维素水分散液、少层锑烯纳米片水分散液，混合，超声处理得到悬浮液；2)悬浮液抽滤后干燥，得到光热复合膜。本发明光热复合膜具有优异的机械性能和光热性能，在太阳能热电发电领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：邵自强,关杰,王飞俊,刘燕华,闫春霞,毛慧敏
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15