一种高强度循环利用的复合光热薄膜的制备方法

本发明涉及环保领域功能材料的制备，具体涉及一种高强度循环利用的复合光热 薄膜的制备方法。

近些年来，随着人们对于化石燃料的日益消耗，人们不断的意识到发展一种清洁 可再生能源的重要性，其中，水能、潮汐能、风能、地热能、生物质能、原子能和太阳能等清洁 能源被人们广泛研究并被大家所接受，在实际生活中也有了许多重要的应用。

与其他清洁能源相比，太阳能具有许多独有的优点，如其不受地理限制，具有广泛 的分布；太阳的能量很大，其1s中传输给地球的能量相当于5*109Kg煤当量；太阳能是完全 清洁的能源，不会产生任何的废弃物，由此，对于太阳能的充分利用具有重要的实际意义。

目前，对于太阳能的利用主要有两方面构成，一方面使用光热转化，另一方面使用 光电转化，其中，光热转化是指将太阳能直接转换为热能并加以利用，如生活中常见的太阳 能热水器；光电转化是指将太阳能直接转变为电能并加以利用，如生活中常见的光伏发电 站，太阳能电池路灯等等。虽然对于太阳能的利用已经有了一定的基础，但是考虑到由于地 域限制，环境影响等因素，还有巨大的太阳能没有能够实现很好的利用。

纳米材料是一种区别于传统宏观块材的新型材料，由于其物理尺寸与德布罗意波 长几乎相当，甚至更小，这使得纳米材料具有极强的表面等离子体共振效应，并且其吸收光 谱变宽，吸收强度增大，由此，纳米材料能够更加高效的实现对太阳能的利用，将吸收到的 太阳能有效的转化为热蒸汽，这在污水处理、海水淡化等领域具有广阔前景。

关于使用纳米材料实现对太阳能的利用，已经报道的包括使用纳米流体如金、银 等贵金属纳米材料，亦或石墨烯、碳纳米管、炭黑等纳米流体；为了进一步提高光热转化效 率，人们还使用了纳米材料的组装体，如使用石墨烯薄膜、金纳米颗粒沉积在纸上的复合材 料、石墨烯与细菌纤维素的混合组装体、石墨烯和碳纳米管复合气凝胶等等。虽然有大量的 研究人员不断的在这一领域深入研究，但是，目前的光热转化薄膜仍然具有一定的局限性， 如使用石墨烯和纸的复合，其不可以多次重复使用，使用石墨烯薄膜进行光热转化时其转 化效率相对较低，使用石墨烯和碳纳米管复合的光热转化气凝胶，其强度不足以在实际生 产中广泛推广。

因此，提供一种高强度可循环使用的光热转换薄膜具有迫切的现实意义。

关于光热转化薄膜的研究进展主要包括以下内容：

1、南京大学Jia Zhu等人在《Adv. Mater》上发表的题为：“Tailoring Graphene Oxide-Based Aerogels for Efficient Solar Steam Generation under One Sun”的文 章，其使用氧化石墨烯、海藻酸钠和多壁碳纳米管的混合物，通过冷冻干燥的方法制备出了 一种氧化石墨烯气凝胶，但是该气凝胶的机械性能较差。

2、日本东北大学Yoshikazu Ito等人在《Adv. Mater》上发表的题为： “Multifunctional Porous Graphene for High-Efficiency Steam Generation by Heat Localization”的文章，其使用CVD的方法先制备出包含有泡沫镍模板的三维石墨烯材料， 然后将模板除去以得到一种多孔的三维石墨烯，进而将其用于光热转化，发现其具有很好 的光吸收转化效率。

3、美国华盛顿大学Qisheng Jiang等人在《Adv. Mater》上发表的题为： “Bilayered Biofoam for Highly Efficient Solar Steam Generation”的文章，其使用 氧化石墨烯和细菌纤维素，制备出一种具有双层结构的光热转化薄膜，这种薄膜具有较好 的稳定性和光热转化性能，但是其制备过程较为复杂且耗时较长，不利于工业化应用。

4、美国马里兰大学Liangbing Hu等人在《Adv. Mater》上发表的题为：“3D- Printed, All-in-One Evaporator for High-Efficiency Solar Steam Generation under 1 Sun Illumination”的文章，其首次使用3D打印的方式构筑了一个整体式光热吸 收器，该吸收器在1个太阳辐射下的转化效率可以达到85.6%，具有很好的性能表现。

此外，还有很多其他的研究工作也对此进行了广泛的研究，如“Bioinspired Multifunctional Paper-Based rGO Composites for Solar-Driven Clean Water Generation”、“Graphene-based Recyclable Photo-Absorbers for High-Efficiency Seawater Desalination”等等。

本发明的目的在于提供一种高强度循环利用的复合光热转换薄膜，具体的，该方 法包括，先制备出复合的光热转化薄膜基材，然后将骨架材料通过浸渍的方法使其均匀包 裹上复合光热转化材料，经过离心后，得到包覆完全的薄膜材料，然后对其进行热处理，之 后，就可以得到一种复合光热转化薄膜。

为了更加清楚的实现本发明的目的，本发明采用如下的制备方法：

本发明的制备方法包括以下步骤：

S1、制备复合光热转化薄膜基材，具体包括，先使用溶剂热的方法制备出长径比为800 以上的银纳米线，其直径在30nm左右，或者可以直接使用先锋纳米的市售银纳米线；将获得 的银纳米线配制成浓度为0.01-0.5g/ml的水溶液待用；取一定体积的前述配制好的银纳米 线水溶液，向其中加入适量的碳源，搅拌均匀后进行水热碳化处理，反应结束后，即可得到 AgNWs@C的复合纳米线材料，即本发明中的复合光热转化薄膜基材；

S2、取聚氨酯（PU）海绵若干，将其切割成若干大小的小方块，然后使用美工刀对其中任 一小方块进行可配合式切割，所谓可配合式切割是指以一定形状的模具沿正方形海绵的上 表面进行切割，得到一个具有与模具相同性质的柱体，该柱体的高度小于正方形海绵块的 高度，即对海绵并非通孔式切割，如使用高度为8厘米的正方形小方块，对其切割出一个直 径为4cm，高度为5cm的圆柱体即为可配合式切割，该圆柱体还可以进一步与母体进行配合， 得到原始的正方形小方块。

S3、将S2中切割出的柱体通过浸渍的方法浸渍上足够的S1中的复合光热转化基 材，之后对其进行离心处理，除去多余的复合光热基材，离心结束后对其进行热处理，将热 处理好的海绵柱与其母体进行配合组装，即得到最终的高强度循环利用的光热薄膜。

所述的溶剂热法制备银纳米线包括称取适量的银源、表面活性剂和还原性溶剂以 及微量的卤素盐混合均匀，然后以一定的升温程序进行升温反应，从而得到长径比可控的 银纳米线。

所述的碳源是指葡萄糖，其与银纳米线水溶液的质量体积比为1:5-30。

所述的水热碳化处理温度为150-200℃，水热碳化时间为12-24h。

所述的模具形状为圆形、梅花形、正方形、椭圆形、三角形中的一种。

所述的浸渍后的离心是指，离心转速为2000-5000rpm，离心时间为5-10min。

所述的热处理是指将离心后的海绵块体在60-100℃下热处理2-5h。

所述的复合光热转换薄膜是指将前述处理好的海绵块体放入母体中，然后将组装 好的海绵块体置于放有丝网的水面，在一个太阳光下进行性能测试。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益技术效果：

1）、发明人首次设计了一种可配合式的复合光热薄膜材料结构，这种结构一方面有利 于节省原料，另一方面，可以实现功能化材料和非功能化材料的组装，其一体式结构相互协 同作用，非功能化的部分，通过毛细作用可以实现较好的水分的供应，并有利于功能化部分 的保温，而功能化部分，不但可以实现高效的光热转化，还可以保持结构的稳定性，便于循 环利用。

2）、发明人首次制备了一种AgNWs@C的复合纳米线材料，将该材料应用于光热转化 领域取得了预料不到的技术效果，其中，在一个太阳辐射下（即1KW/m2），其蒸汽化转化效率 为72.3%，这一方面归因于材料的优异性能，另一方面是由于载体结构的设计，二者共同作 用。

3）、该复合光热转化薄膜可应用于海水淡化或污水处理等领域，具有生产成本低、 制备工艺简单、性能稳定可靠的特点。

图1 本发明制备功能海绵体的主要实验流程框图；

图2 本发明制备的功能海绵体的高倍扫面电镜图，从中可以看出，经过离心后AgNWs@C 纳米线均匀包覆在海绵骨架上。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，可以理解的是，此处说描述 的实施例并非对本申请的限定，仅用于解释本申请，只要不违背本发明的发明构思，本领域 技术人员对其进行简单的变化，均在本发明请求保护的范围内。

实施例1

取50ml配制好的浓度为0.05g/ml的银纳米线水溶液，向其中加入4g葡萄糖，搅拌均匀 后，放入180℃的烘箱中水热处理16h，反应结束后，去除水热反应釜自然冷却至室温，将产 物水洗离心后，分散成浓度为0.1g/ml的乙醇溶液，然后将切割好的圆柱状海绵浸渍其中， 5min后，取出浸渍后的海绵，先用玻璃棒进行简单挤压操作，除去大部分的未附着溶液，然 后将其放入离心管中，以5000rpm的转速离心5min；离心结束后，在100℃下干燥上述海绵柱 2h；之后，将干燥好的海绵柱与其母体进行配合组装，得到最终的高强度循环利用的光热薄 膜。

实施例2

取200ml配制好的浓度为0.05g/ml的银纳米线水溶液，向其中加入12g葡萄糖，搅拌均 匀后，放入180℃的烘箱中水热处理20h，反应结束后，去除水热反应釜自然冷却至室温，将 产物水洗离心后，分散成浓度为0.1g/ml的乙醇溶液，然后将切割好的圆柱状海绵浸渍其 中，5min后，取出浸渍后的海绵，先用玻璃棒进行简单挤压操作，除去大部分的未附着溶液， 然后将其放入离心管中，以5000rpm的转速离心5min；离心结束后，在100℃下干燥上述海绵 柱3h；之后，将干燥好的海绵柱与其母体进行配合组装，得到最终的高强度循环利用的光热 薄膜。

实施例3

取50ml配制好的浓度为0.1g/ml的银纳米线水溶液，向其中加入4g葡萄糖，搅拌均匀 后，放入180℃的烘箱中水热处理16h，反应结束后，去除水热反应釜自然冷却至室温，将产 物水洗离心后，分散成浓度为0.1g/ml的乙醇溶液，然后将切割好的圆柱状海绵浸渍其中， 5min后，取出浸渍后的海绵，先用玻璃棒进行简单挤压操作，除去大部分的未附着溶液，然 后将其放入离心管中，以4000rpm的转速离心5min；离心结束后，在60℃下干燥上述海绵柱 2h；之后，将干燥好的海绵柱与其母体进行配合组装，得到最终的高强度循环利用的光热薄 膜。

实施例4

取200ml配制好的浓度为0.05g/ml的银纳米线水溶液，向其中加入15g葡萄糖，搅拌均 匀后，放入160℃的烘箱中水热处理24h，反应结束后，去除水热反应釜自然冷却至室温，将 产物水洗离心后，分散成浓度为0.1g/ml的乙醇溶液，然后将切割好的圆柱状海绵浸渍其 中，5min后，取出浸渍后的海绵，先用玻璃棒进行简单挤压操作，除去大部分的未附着溶液， 然后将其放入离心管中，以5000rpm的转速离心5min；离心结束后，在100℃下干燥上述海绵 柱4h；之后，将干燥好的海绵柱与其母体进行配合组装，得到最终的高强度循环利用的光热 薄膜。