一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜及其制备方法

本发明属于水处理领域，特别涉及一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜及其制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会发展和工业化进程加快，淡水资源匮乏和水污染已成为人类面临的亟待解决的全球性问题之一。作为太阳能转换的新兴概念，利用界面太阳能光热—蒸汽转换制取清洁水，由于其绿色、高效和可持续的优点被认为是一种有效的新型水处理技术。与传统的基于大范围水体加热的方法相比，界面太阳能蒸发技术将光吸收体放置在蒸汽—水体界面，只需加热界面的水薄层产生蒸汽而无需加热大量水体，因而可以实现更高的太阳能—蒸汽转换效率。然而当前界面蒸发材料面临光热转换效率低，对太阳光利用不足，且光热材料与水体直接接触导致向水体和环境的热传导和热辐射损失较大等问题；此外当前报道采用自上而下的制备方法影响了材料的实际可应用性和长期稳定性。

技术实现思路

1、本发明针对当前界面太阳能材料光利用不足、热损耗大以及蒸汽转换效率低等现状，提出一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜及其制备方法。该界面太阳能蒸发膜具有优异的光吸收和热局域特征，大大增强了材料体系的太阳能—蒸汽转换效率。

2、所述的界面太阳能蒸发膜为复合的双层膜结构，上层为具有微纳米结构的光热层，下层为具有低热导系数的隔热层；隔热层具有疏水性，光热层具有亲水性，使界面太阳能蒸发膜在垂直于材料界面方向上存在浸润性梯度，可自发驱动水自下而上由疏水层传递到亲水层，同时利用隔热层的疏水性使太阳能蒸发膜漂浮于液面上。

3、所述界面太阳能蒸发膜的工作原理为：光热层进行光吸收产生热量，对泵至亲水层的界面水进行加热产生蒸汽；隔热层阻隔了光热层与水体的直接接触，避免了热量向下方大量水体的传递损失。

4、光热层的纳米结构直径范围在10nm-100μm；隔热层的纤维直径范围在50nm-3μm之间，纤维膜孔径在1-100μm之间。

5、所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤一，制备含有晶种的水热反应基底；

7、含有晶种的多孔纤维基底的制备方法包括两种，分别为：

8、(1)将多孔纤维织物浸泡于含有铜离子或钨粒子中一种或两种的溶液，得到含有晶种的多孔纤维织物，并置于烘箱中进行热处理，使晶种暴露，得到含有晶种的水热反应基底；

9、(2)将含有钨粒子或铜离子中一种或两种的溶液与聚偏氟乙烯混合，形成纺丝前驱体溶液，由静电纺丝制备含有晶种的多孔纤维膜，并置于烘箱中进行热处理，使晶种暴露，得到含有晶种的水热反应基底。

10、步骤二，将含有晶种的水热反应基底置于水热反应溶液a中进行水热生长反应，得到光热层a；

11、水热生长反应的具体条件为：

12、将水热反应装置转移到40-200℃烘箱中，反应4-18小时，经过水热合成得到表面具有纳米片/纳米针微观结构的光热层a。

13、纳米片/纳米针的直径范围在10nm-100μm。

14、所述的水热反应溶液a为硫酸铜、醋酸铜、氯化铜、钨酸铵和偏钨酸铵中的一种或多种与氨水、硫化铵或者硫代硫酸钠溶液中的一种组成的混合水热生长液，其中金属离子的浓度在0.02-0.80m之间。

15、根据水热反应溶液a中金属离子的不同，得到的纳米片/纳米针微观结构为氧化铜、硫化铜、氧化钨和硫化钨中的一种或多种。

16、步骤三，将疏水性聚合物b置于有机溶剂c中，充分搅拌至完全溶解，得到含有疏水性聚合物b的质量百分含量为5％-30％的纺丝液；

17、所述的疏水性聚合物b为低导热系数的聚合物材料，包括聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯合六氟丙烯或聚丙烯腈中的一种或多种；

18、所述的有机溶剂c为四氢呋喃、丙酮、二甲基亚砜或n,n-二甲基甲酰胺或n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种溶剂形成的混合溶剂；

19、步骤四，将含有疏水性聚合物b的纺丝液置于注射器中，并以光热层a为接收基底，进行静电纺丝，得到低导热系数的疏水隔热层，从而得到光热层和隔热层集成的界面太阳能蒸发膜。

20、所述的静电纺丝的具体参数为：注射器的喷丝头为0.2-1.5mm，纺丝接收距离为10-30cm，在接收基底和纺丝喷头之间施加的高压静电为8-30kv，纺丝时间在30.0s-30.0min。

21、进一步的，当隔热层b的材料为本征亲水时，如醋酸纤维素、聚乳酸和壳聚糖等，可引入低表面能的化学物质d对电纺制备的纤维膜表面进行疏水改性。

22、所述的低表面能的化学物质d为甲氧基硅烷、乙氧基硅烷、苯基硅烷、烷基硅烷、氨基硅烷、环氧硅烷、酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷或氟酸中的一种或几种。

23、本发明的优点在于：

24、1.本发明公开的亲水光热层/疏水隔热层复合界面蒸发体系，分别采用水热合成法和静电纺丝技术制备，制得的自浮式界面蒸发材料可以用于快速的界面太阳能蒸汽转换。本发明思路设计合理，方法简单，并实现多次循环利用，有望缓解水资源危机，并在海水淡化、蒸汽消毒和蒸汽发电等领域实现广泛应用。

25、2.本发明公开的微/纳米结构的光热层/隔热层复合界面蒸发体系，集成了优异的光热转换性能和热局域性能，实现了界面太阳能—蒸汽转换效率增强。其中光热层微/纳米结构的构筑通过引发光的散射和多次反射增强了光的吸收和利用效率，具有优异的光热性能；同时隔热层阻止热量向水体和环境的热损失，保证了热局域性。

26、3.本发明公开的亲水光热层/疏水隔热层复合界面蒸发体系，浸润性梯度提供了水自下而上的传输驱动力，可以实现自主供水，同时隔热层阻止了热量向下的损失，通过调控界面浸润性梯度力和隔热层厚度可以实现供水/隔热性能的调控和最佳优化，具有优异的蒸发性能。

技术特征：

1.一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜，其特征在于，所述界面太阳能蒸发膜为复合的双层膜结构，上层为具有微纳米结构的光热层，下层为具有低热导系数的隔热层；隔热层具有疏水性，光热层具有亲水性，使界面太阳能蒸发膜在垂直于材料界面方向上存在浸润性梯度，能够自发驱动水自下而上由疏水层传递到亲水层，同时利用隔热层的疏水性使太阳能蒸发膜漂浮于液面上；

2.根据权利要求1所述的一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜，其特征在于，所述光热层的微纳米结构直径范围在10nm-100μm；所述隔热层的纤维直径范围在50nm-3μm之间，隔热层纤维膜孔径在1nm-100μm之间。

3.对权利要求1所述的界面太阳能蒸发膜进行制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，所述的含有晶种的水热反应基底的制备方法包括两种，分别为：

5.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，所述纳米片/纳米针的直径范围在10nm-100μm。

6.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，所述的水热反应溶液a为硫酸铜、醋酸铜、氯化铜、钨酸铵和偏钨酸铵中的一种或多种与氨水、硫化铵或者硫代硫酸钠溶液中的一种组成的混合水热生长液，其中金属离子的浓度在0.02-0.8m之间；

7.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，所述的疏水性聚合物b包括聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯合六氟丙烯或聚丙烯腈中的一种或多种；所述的有机溶剂c为四氢呋喃、丙酮、二甲基亚砜或n,n-二甲基甲酰胺或n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种溶剂形成的溶剂。

8.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，所述的静电纺丝的具体条件为：注射器的喷丝头直径为0.2-1.5mm，纺丝接收距离为10-30cm，在接收基底和纺丝喷头之间施加的高压静电为8-30kv，纺丝时间在30.0s-30.0min。

9.根据权利要求3所述的界面太阳能蒸发膜的制备方法，其特征在于，当聚合物b的材料为本征亲水时，引入低表面能的化学物质d对电纺制备的纤维膜表面进行疏水改性；

技术总结
本发明公开了一种光热转换和热局域集成的高效界面太阳能蒸发膜及其制备方法，属于水处理领域。首先将含有晶种的多孔纤维基底置于水热反应溶液中进行水热生长反应，得到表面具有微纳米结构的光热层A。然后将疏水性聚合物B和有机溶剂C充分搅拌溶解，得到纺丝液。最后以光热层A为接收基底，对纺丝液进行静电纺丝，得到隔热层B，进而得到光热层A和隔热层B集成的界面太阳能蒸发膜。该界面太阳能蒸发膜上层为亲水性光热层，下层为具有低热导系数的疏水性隔热层，可自发驱动水自下而上由疏水层传递到亲水层，光热层通过光热转换将传输的水蒸发，同时隔热层避免热量向下传递。本发明方法简单，可循环利用，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：王女,赵勇,侯兰兰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13