一种太阳能蒸发层级结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能蒸发层级结构及其制备方法。该包括聚合物膜层和光热转换层；所述聚合物膜层具有贯通所述聚合物膜的孔道(即水和/或水蒸汽输送通道)，且所述聚合物膜层的上下表面均具有不规则锥状结构；所述光热转换层位于所述聚合物膜层的一侧。本发明专利技术利用重离子辐照加化学蚀刻法获得的垂直于膜表面的直孔，不仅作为光热转化层水蒸气逃逸通道，还可作为上表面蒸发持续的水传输通道。本发明专利技术的一体结构和层级结构降低了蒸发系统对入射光角度的依赖性且在高浓度盐溶液(30wt％NaCl溶液)中循环蒸发不积累盐颗粒，在入射光倾斜一定角度时，光吸收率增加，蒸发效率升高，充分满足了实际应用中太阳光大部分时间倾斜和不积累盐的条件和要求。积累盐的条件和要求。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能蒸发层级结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于新型功能膜材料和高盐废水处理
，涉及一种用于太阳能蒸发层级结构及其制备方法，更具体涉及一种界面粗糙且包含两种不同层级结构的光热转换蒸发结构和制备方法，及其在太阳能驱动高盐废水处理方面的应用。

技术介绍

[0002]能源和水资源短缺问题是目前人类面临的最大的挑战之一。太阳能是地球上最丰富的能源之一，太阳能蒸发技术利用太阳能可以解决紧迫的全球水资源问题，被认为是太阳能技术中最有前途的绿色和可持续技术之一。太阳能蒸发器具有节能、环保、高效等独特的优势，使其在许多工程应用中具有重要意义，如从废水或海水中产生蒸汽和清洁水、工业固废处理等基本应用。
[0003]传统的太阳能蒸发方法是将吸光器放置在水源底部，其光热转换效率低，只有30％
‑
45％，由于对太阳能的吸收效果差和在水源底部放置吸光器造成很大的热损失，从而限制其实际应用。后来又开发了一种体加热系统，其将光吸收器分散在整个储液器中，使这类设计的光吸收效果得到了极大的改善，但是在蒸发过程中加热了整个系统的储液器会导致热损失依然很大。最近新开发的界面太阳能蒸发系统将光吸收器放置于空气
‑
水界面，使得在蒸发过程中只加热气
‑
液界面，从而提高了光热效率。
[0004]近年来，新型光热材料和各种光热蒸发结构的快速发展使得界面太阳能蒸发效率得到有效的提高。目前主要的光热材料有等离子体局域加热的等离激元吸收体，电子空穴产生和弛豫产热的半导体，以及基于分子振动的碳质或聚合物材料。这些光热材料的吸收光谱包含了完整的太阳光谱，并且成本低和长期稳定满足当前的应用前景。目前最常见的典型界面太阳能蒸发系统主要包括两类，一类是组装光吸收体/光热材料、输水通道、支撑层/隔热层等多个组件形成的太阳能蒸发装置，但由于吸水材料和支撑或隔热材料单独的存在造成太阳能蒸发器设计缺乏整体性，导致实际操作复杂化，限制设备的使用范围，并且其使用的支撑/隔热材料占地面积较大，不方便携带。另一类界面太阳能蒸发系统是一体结构的太阳能蒸发器，其简单的整体性设计使它有更宽的适用范围，在实际应用中一体结构的太阳能蒸发器具有独特的优势。目前所知的一些常见的薄膜一体蒸发结构有石墨烯薄膜结构、碳纳米管薄膜结构、多孔聚合物薄膜结构等，但这些结构的蒸发效果并不理想，尤其对于盐溶液的蒸发效率非常低。当前在许多研究中针对浓盐水蒸发设计了各种结构，这些结构对浓盐水的极限蒸发浓度都在20wt％，但是在实际应用中有很多浓度大于20wt％的工业废水，如何使太阳能蒸发结构能够适用于更宽更多的实际应用范围中又是太阳能蒸发技术的一大挑战。此外，在实际应用中，太阳东升西落使太阳光早晚的入射角差别非常大，所以如何降低蒸发结构和装置对入射光角度的依赖性同时兼顾蒸发效率的要求对目前的技术来说是一个巨大的挑战。
[0005]综上所述，现有的太阳能蒸发结构和装置难以在保证蒸发效率的基础上，应用于更宽的范围和场景。此外，在真实的应用场景中，太阳东升西落，太阳光入射角度变化很大，
会降低光吸收效率进而降低蒸发效率。因此，针对上述存在的问题，发展一种满足上述条件的太阳能蒸发的一体结构及其制备方法具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种太阳能蒸发层级结构及其制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0008]一种太阳能蒸发层级结构，其包括聚合物膜层和光热转换层；所述聚合物膜层具有贯穿所述聚合物膜的直孔通道(即水和水蒸汽输送通道)，且所述聚合物膜层的上下表面均具有不规则锥状结构；所述光热转换层位于所述聚合物膜层的一侧。
[0009]进一步的，所述锥状结构为具有大长径比的不规则锥状结构。
[0010]聚合物膜在第一次重离子辐照加化学蚀刻之后形成垂直于膜表面的直孔即水和水蒸汽输送通道，水和水蒸汽输送通道将水输送至上表面进行蒸发，并且将下表面光热转化层产生的水蒸气输送到上表面。带直孔的聚合物膜两表面在第二次重离子辐照与化学过蚀刻之后形成了大长径比的不规则锥状结构，在其中一个表面用镀膜技术沉积一层光耗散材料形成光热转化层进行水蒸发，另一表面则利用热传导进行表面水蒸发。
[0011]本专利技术中，所述聚合物膜可选用但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯(PC)等，所需厚度需在保证获得直孔和不规则锥状结构的前提下膜材料仍然具有自持的机械强度，且仅在自身浮力作用下可漂浮于液面即可。例如，第一次辐照注量为1
×
105ions/cm2的PET膜，第二次辐照注量为1
×
109ions/cm2的PET膜，膜厚在30μm以上即可。
[0012]所述光热转化层的材料可以是金、银、铜、铝、钯、钴、铬、铁、铟、钼、铌、镍、铅、铂、锡、钽、钒、钨、锌、锰、锑、铋、锗等金属，也可以是镍铬、镍铁、钛铝等合金，还可以是石墨等无机非金属材料，还可以是多种材料的组合。光热转化层厚度不小于50nm，优选厚度为100nm。
[0013]本专利技术还提供了上述太阳能蒸发层级结构的制备方法。
[0014]本专利技术所提供的太阳能蒸发层级结构的制备方法，包括下述步骤：
[0015]1)对聚合物膜依次进行第一次重离子辐照和第一次化学蚀刻；
[0016]2)再将步骤1)处理后的聚合物依次进行第二次重离子辐照和第二次化学蚀刻；
[0017]3)在蚀刻好的聚合物膜的任意一侧进行光热转化材料的沉积，得到所述太阳能蒸发层级结构。
[0018]本专利技术中，所述重离子辐照可用但不限于Kr、Xe、Ta、Bi等离子，离子能量依膜的种类和厚度而定，辐照注量依膜的种类和设计结构尺寸而定。本专利技术实施例中所涉及条件下所需的第一次辐照注量一般为1
×
104ions/cm2‑1×
108ions/cm2，第二次辐照注量一般为1
×
108ions/cm2‑1×
10
10
ions/cm2，离子垂直射入聚合物膜。更宽的注量范围亦可，但第一次辐照注量更低会降低最终的蒸发效率，第二次辐照注量更低会降低最终的吸光性能，更高的注量会降低最终的机械强度。
[0019]本专利技术中，所述化学蚀刻有两次，在第一次蚀刻时蚀刻液采用5
‑
9M NaOH水溶液在45
‑
65℃水浴加热下蚀刻，蚀刻时间30min
‑
15h(优选3.5h
‑
6h)，具体蚀刻时间与膜厚度、辐照注量、所需结构尺寸有关。在第二次蚀刻时蚀刻液采用2.5
‑
9M NaOH溶液，溶剂为甲醇和水的混合液，其中甲醇体积含量50％
‑
95％，在室温下蚀刻时间15
‑
60min，膜两侧同时蚀刻。
对于PET膜，优选的第二次蚀刻条件为2.5M NaOH溶液，甲醇体积含量50％，蚀刻时间40min。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太阳能蒸发层级结构，其包括聚合物膜层和光热转换层；所述聚合物膜层具有贯穿所述聚合物膜的直孔通道，且所述聚合物膜层的上下表面均具有不规则锥状结构；所述光热转换层位于所述聚合物膜层的一侧。2.根据权利要求1所述的太阳能蒸发层级结构，其特征在于：所述锥状结构为具有大长径比的不规则锥状结构。3.根据权利要求1或2所述的太阳能蒸发层级结构，其特征在于：构成所述聚合物膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯；构成所述光热转换层的材料选自金属、合金、石墨中至少一种；所述金属具体选自金、银、铜、铝、钯、钴、铬、铁、铟、钼、铌、镍、铅、铂、锡、钽、钒、钨、锌、锰、锑、铋和锗中至少一种；所述合金为镍铬、镍铁或钛铝；所述光耗散层的有效厚度不小于50nm。4.权利要求1
‑
3中任一项所述太阳能蒸发层级结构的制备方法，包括下述步骤：1)对聚合物膜依次进行第一次重离子辐照和第一次化学蚀刻；2)再将步骤1)处理后的聚合物依次进行第二次重离子辐照和第二次化学蚀刻；3)在步骤2)处理后的聚合物膜的任意一侧进行光热转化材料的沉积，得到所述太阳能蒸发层级结构。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)重离子辐照步骤中，所用辐照离子在被辐照聚合物膜中的电子能损大于径迹蚀刻所需阈值，具体为Kr、Xe、Ta或Bi；离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：段敬来，黄冉，刘杰，胡正国，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：