[发明专利]一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用。所述高聚物仿生构型光热转换材料，包括：模板及包覆于其表面并形成连续的金属膜；所述模板为高聚物仿生构型材料，具有三维光子晶体结构，其非对称突起结构呈周期式均匀分布于材料表面；所述金属膜由贵金属纳米颗粒形成。本发明利用三维微纳金属构型的表面等离子体空间增强效应，实现高效光热水蒸发过程。有利于推动传统光热转换材料设计思路的革新以及相关产品的升级换代，对于海水淡化等重大工程领域具有重要价值。

技术领域

本发明涉及光热转换材料领域，具体涉及一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用。

背景技术

通过太阳能光热转换的方式来实现海水的蒸腾-冷凝-淡化是一条高效、低成本并且环保的供水方案。然而，现有的商用技术光热转换效率较低。

CN108483427A公开了一种光热转换材料，包括：基体；多个柱状结构，所述多个柱状结构间隔设置在所述基体的至少一个表面，其中，形成所述基体与所述多个柱状结构的材料包括石墨烯泡沫。在1KW/cm²太阳光强度下，利用该光热转换材料进行太阳能水蒸发速率可以为1.87-1.93kg/m²·h。

然而，在实际应用过程中，上述光热转换材料存在光热性能效率相对较低、石墨烯原料成本高、激光加工过程复杂等缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用。本发明利用三维微纳金属构型的表面等离子体空间增强效应，实现高效光热水蒸发过程。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高聚物仿生构型光热转换材料，包括：模板及包覆于其表面并形成连续的金属膜；

所述模板为高聚物仿生构型材料；所述高聚物仿生构型材料为三维光子晶体结构，其非对称突起结构呈周期式均匀分布于材料表面；

所述金属膜由贵金属纳米颗粒形成。

申请人通过研究发现，在特定的共振波长下，纳米金属颗粒具有强烈光吸收的特性，经由仿生构型(蝶翅鳞片)进一步增强，利用等离子光热效应能够产生瞬间、局域的高热量来驱动液体蒸发过程，该效应可在空气-水界面处产生局部热区；同时由于蝶翅悬浮于近水表面处，因此产生的蒸汽能够立即被释放到空气中，避免了从低温未加热区域到界面处的转移所产生的能量损耗，提高了转化效率。在这一体系中，绝大部分的热能都被用于加热蒸发液体，相比现有光热转换材料，最大程度减少了热损失，从而大幅提升了热-蒸汽转化效率，为新型光热转换海水淡化材料的设计提供了新思路与新途径。

所述高聚物仿生构型材料的仿生构型的脊宽400-500nm，相邻脊间距200-300nm。

所述高聚物仿生构型材料由如下方法制得：

(1)筛选自然生物光子晶体构型的层次及尺度；

(2)根据筛选结果，模拟蝶翅鳞片结构建立模型；所述建模方法包括但不限于:有限元方法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)。

(3)调整选材方案及架构参数，批量制备大面积高聚物微纳仿生构型。所述制备方法包括但不限于：光刻法、3D打印。

所述模板的材质包括但不限于：硅板、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

所述贵金属选自金、银、铂、铱、钌、铑中的一种或多种。

所述金属膜的厚度为20-50nm；优选30-50nm。

作为本发明的优选实施方式之一，所述高聚物仿生构型光热转换材料包括：模板及包覆于其表面并形成连续的金属膜；