[发明专利]具有纳米异质结构的光热转换材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有纳米异质结构的光热转换材料及其制备方法和应用，具有纳米异质结构的光热转换材料由细菌纤维素膜以及分布在其中的rGO和CNT组成，rGO和CNT构成异质结构，即CNT原位生长在rGO的表面形成“人工褶皱”结构；方法为：将木醋杆菌原菌液、前驱体CNT水溶液和前驱体GO水溶液加入HS营养液中进行接种，得到细菌纤维素复合膜后，对其中的GO进行还原，得到具有纳米异质结构的光热转换材料；应用为：将具有纳米异质结构的光热转换材料、细菌纤维素膜和聚苯乙烯泡沫自上而下顺序组装在一起构成太阳能界面海水蒸发器。本发明通过异质结构展示了良好的陷光现象，减少了太阳光由于反射而损失的能量，提升了材料的光吸收效率。

技术领域

本发明属于光热转换材料技术领域，涉及一种具有纳米异质结构的光热转换材料及其制备方法和应用，特别涉及一种具有一维/二维纳米异质结构的光热转换材料及其制备方法和应用。

背景技术

饮用水缺乏是全球范围内关乎人类生存的问题。近年来，随着气候变化，人口增长以及水污染的情况大大加剧了这一问题。与此同时，太阳能蒸发海水淡化被认为是一项非常有前景的缓解全球范围内饮用水缺乏的手段。

太阳能水蒸发就是将太阳能最大程度上转化为热能，将转换来的热能加热水体，产生水蒸气。现阶段水蒸发存在三种主要途径：1)太阳能吸收器在体相(bulk)水对底部，底部吸收材料将吸收太阳能转化成热能，进而加热整个体相水；2)太阳能吸收器以纳米流体的形式分散在体相中的水蒸发，均匀分散的纳米流体将太阳光转换成热能进而加热整个体相水；3)太阳能吸收器定位在气体-液体的界面处，在界面处将转换的热量转换用于加热气液界面的水。第三种方式是近年来的新兴技术，蒸发系统具有更高的蒸汽产生效率和热响应速度，且系统结构简单，能够为高效便携式太阳能光热蒸发系统提供了可行的方案。然而，由于光热材料吸收器对太阳光的辐射以及反射导致光吸收效率较低，很大程度上限制了其广泛应用。因此，需要开发具有陷光结构的高效光捕获材料。

在之前报道中，比如太阳能电池领域，利用一维纳米材料、二维纳米材料两者构建异质结构，以此增强复合体系性能这一思路在以太阳能电池和太阳能光催化为代表的光电转化领域已有很多应用，但在以光热效应为主导的太阳能海水蒸发领域应用却很少。在太阳能电池领域，已有大量报道显示通过设计人工陷光结构(artificiallighttrappingstructure)使得太阳入射光通过折射、反射、散射分散到各个角度，增加光程，从而使整体光吸收增加。因此，如何构筑一维二维异质陷光结构并将其应用于太阳能界面海水蒸发器的光捕获材料，增强光吸收能力，提升光热转换效率是一个挑战。虽然一维CNT(碳纳米管)以及二维rGO(还原氧化石墨烯)由于具有优异的光吸收性能已经被广泛地用作太阳能界面海水蒸发器光热转换材料，但是利用其一维/二维复合后的光热增强效应目前尚未被报道过。

文献1(Advanced Sustainable Systems(2019))中记载采用金纳米粒子，且金纳米球和纳米星以陷光的Papilio Paris forewing为模板，组装成纳米胶体的脊/无序纳米孔阵列结构；文献2(Nano Energy(2019))中记载采用堇青石蜂窝状陶瓷和CuFeMnO₄，且在堇青石蜂窝状陶瓷基板的表面上覆盖一层CuFeMnO₄来制造多功能蜂窝状陶瓷板，蜂窝陷光结构有利于捕光和能量回收；然而这些方法需要可控合成多金属氧化物，并且特定结构的制备过程较为复杂，需分步进行，且所尝试的制备工艺不易于大规模、大面积生产，进而转化为有实际应用价值的光热转换材料。

发明内容