等离子体共振增强复合薄膜设计及太阳光热应用

发布时间：2020-05-12 15:48

【摘要】：太阳能在各能源领域具有重要的地位,人类所需能量不再单纯依赖于化石燃料,未来大力发展能够满足各种应用需求和具有竞争力的太阳能光热转换器件是至关重要的。一些具有等离子体共振效应的半导体材料及贵金属材料,如硫化铜和纳米金颗粒等,能产生良好的光热效果,通过与薄膜基体材料复合,可以得到等离子共振增强的光热转换薄膜,实现在海水淡化以及现代农业等领域的应用。基于太阳能光热转换薄膜的海水淡化技术理论上可以提供无限、稳定的优质水,并且不损害大自然的淡水生态系统。此外,能源的利用存在时间匹配问题,将能源提前收集起来在合适的时间进行使用,具有重要意义,因此,未来兼具储热性能的光热转换薄膜预期有更广泛的使用范围,如农业温室大棚,调温建筑/服装等领域。本论文制备了三种有机-无机材料复合的光热转换薄膜,包括硫化铜-聚乙烯复合薄膜、硫化铜-纤维素复合薄膜和聚乙二醇-聚乙烯醇-纳米金复合薄膜,并研究了其制备方法、结构表征及其在光热转换、海水淡化等方面的应用。第一种是硫化铜-聚乙烯复合光热转换薄膜用于海水淡化的研究。基于增强界面处的水分蒸发的策略,本文利用溶剂热法制备了一种具有高吸光率(93%)、低热导(0.067 W m-1 K-1)、自漂浮性、亲水性和多孔性等优异性能的硫化铜-聚乙烯复合薄膜。硫化铜是一种P型多功能半导体,由于其表面的等离子体共振效应,纳米硫化铜能带跃迁能产生对近红外光的特殊波段的吸收,而太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,因此可作为一种理想的太阳能吸收材料。此外,多孔聚乙烯薄膜的黑色表面,能吸收大部分太阳光,减少因反射造成的太阳光损失。在功率密度为1 kW m-2的模拟太阳光照射下,覆盖有硫化铜-聚乙烯光热转换薄膜的模拟海水表面温度可以达到37.6 ℃,太阳能光热蒸发水的效率达到63.9%。同时,该薄膜具有良好的稳定性。此外,基于界面加热,设计并组装了一个简易的太阳能蒸馏装置,模拟太阳能海水淡化脱盐过程。由于硫化铜-聚乙烯复合多孔薄膜优异的光热转换效果和太阳能蒸馏装置较小的热损失,这种硫化铜-聚乙烯复合多孔薄膜未来有望在大规模生产淡水方面得到实际应用。第二种是硫化铜-纤维素复合光热转换薄膜用于海水淡化的研究。目前市场上的纤维素薄膜具有高的孔隙率,优异的机械性能和良好的化学反应活性。其合成过程简单,可大规模制备,而且对环境友好。此外,纤维素具有低的导热系数和良好的亲水性,便于进行有效的水分传输。因此,纤维素可作为实现界面加热的辅助材料,将其用作原位生长光热转换纳米材料的基底,实现海水淡化等应用。本文选用含竹炭的黑色纤维素薄膜,通过预处理,利用溶剂热法在纤维素薄膜表面成功生长了大量的空壳纳米硫化铜颗粒,在功率密度为1 kW m-2的模拟太阳光照射下,可升温至70 ℃,将其用于海水淡化过程,其太阳能光热蒸发水的效率接近85%。第三种是兼具光热转换和热能存储与释放功能的聚乙二醇-聚乙烯醇-纳米金固-固相变复合薄膜。复合薄膜以聚乙烯醇为基底,添加痕量的具有表面等离子共振功能的纳米金颗粒实现光热转换,另外添加聚乙二醇作为相变储能材料。外加光照时,薄膜首先通过纳米金颗粒进行光热转换,然后将转换得到的热能通过聚乙二醇相变材料储存起来,将储能效率提高了 201%。通过将聚乙二醇分子链的运动限制在聚乙烯醇的三维网络中,实现了固-固相变,解决了传统相变材料在使用过程中存在的封装、泄漏等问题。潜热储能过程中,其温度变化比较小,储能密度较大,而且复合薄膜材料的稳定性较高,在农业蔬菜大棚保温、调温建筑/服装、光热发电器件等方面都具有广泛应用。实验中通过XRD、TEM、SEM、IR及DSC等方法对各薄膜进行了结构的表征及性能测试。
【图文】：

形貌,光热转换,光吸收,表面等离子体共振效应

动大幅增加，即产生局部表面等离子体共振效应（ＬＳＰＲ），使得金纳米材料对近逡逑红外光有较强的吸收，而吸收峰的波长和强度与材料的结构、形貌密切相关，逡逑如图１．１所示。Ａｕ纳米颗粒的光热特性主要源于其局域表面等离子体共振效应，逡逑Ａｕ邋ＮＰｓ具有较高的截面吸收特性，在激光的照射下能有效地将其吸收的能量转逡逑换为热能，而且其吸收共振峰的位置主要受直径大小的影响［１２＿１６］。逡逑香‘邋ｉｃｉ：邋ＭＲＳ：＼邋Ａ逦．／逦ｉｉｉ？＇邋／邋＼逡逑ｉ：逡逑}眫栧文饶燃渝鍈0，脚麟邋财）邋ＢＭ邋１００Ｃ逦？Ｋ邋１９０邋ＳＯＯ邋１灥峨~T邋１sE逡逑Ｗｓｖｃ＾ｇｔｈ邋（ｎｍ）逦Ｗａ？？ｃｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逦Ｗａｖｅｌ＾ｇ＾ｉ邋｛ｎｍｊ逡逑图１．１不同结构的金纳米光热转换材料的ＴＥＭ图及光吸收图。逡逑第二类是半导体光热转换材料，如Ｃｕ２＿ｘＳ和…（＾＾等。半导体材料可以通逡逑过掺杂方式得到表面具有等离子体共振效应的纳米颗粒，制造方法简单、成本逡逑２逡逑

示意图,纳米晶,光热转换,亲水性

合成法等方法进行制备，制备过程中易形成空穴掺杂的缺陷结构，从而在近红逡逑外光照射下产生表面等离子体共振效应。Ｗａｎｇ等人成功合成Ｃｕ７Ｓ４纳米晶（如逡逑图１．２所示），并证实其具有良好的光热转换性能（８０８邋ｎｍ，ＬＯＷ邋ｃｍ－２激光照逡逑射下，光热转换效率达到５２．９２％），在光热成像以及光学指纹侦测领域具有良逡逑好的应用价值［２（）］。逡逑W逡逑（ｄ）６０ｉ逦ＣＷ邋ＮＣｓ逡逑＿＿＿逦Ｃａｍｅｒａ逡逑％邋霸邋ｖ寒邋Ｉ逡逑Ｉ逦／／逦［Ｐｏ＾ｃｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ］逦政？邋Ｕ逡逑叫，，？．ｏｗｗ逦＇逦＾逡逑Ｐ邋？？邋＊邋？？邋＊邋＾逡逑0邋４０逦ｎｍ＊＼ｒ邋⑶逦Ｐｈｏｔ（？！？ｒｍａ！逦ｉｍａｇｉｎｇ逡逑图１．２邋（ａ）疏水性Ｃｕ７Ｓ４纳米颗粒的低分辨透射电子显微镜图；（ｂ）亲水性Ｃｕ７Ｓ４纳米晶的低分逡逑辨透射显微镜图；（ｃ）亲水性Ｃｕ７Ｓ４纳米晶形成机理；（ｄ）两种材料在８０８邋ｎｍ的激光照射下的逡逑光热转换图谱；（ｅ）光热成像指纹检测示意图。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK51;TB383.2

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