[发明专利]一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种金属纳米颗粒‑聚合物复合材料及其制备方法与应用，涉及复合材料领域；所述复合材料包括固态基体和填充体，填充体包括粒径范围为5‑99纳米的金属纳米颗粒，相邻金属纳米颗粒距离1‑200纳米；固态基体内具有孔径为2‑500纳米的孔隙，固态基体包括聚合物纤维材料，填充体分散填充于固态基体内部的孔隙中，孔隙用于分散填充体，阻止填充体团聚；通过在固态基体的内部孔隙中制备金属种子，然后放入金属纳米颗粒生长溶液中生长得到金属纳米颗粒‑聚合物复合材料；该材料光吸收强，光热转换效率高，对太阳光谱300‑2500nm波段的平均吸收率可达97％，可大面积制备，可应用于包括光热转换、太阳能海水淡化等领域。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，有望替代消耗殆尽的化石能源。利用太阳能的方法有很多，如太阳能电池、太阳能热水器、聚焦太阳能发电、太阳能海水淡化和光催化等。

无论哪一种利用太阳能的方法，第一步都要吸收太阳光。对太阳光谱的全波段，高效吸收能够有效地提高太阳能的利用效率。为此，科学家们提出并研究了各种提高光吸收率的方法，包括设计宽带超结构、激发等离激元共振增强吸收、抗反射精细纳米结构阵列。太阳光全波段的意思是行业标准太阳光谱(Air Mass 1.5G)中所有波长范围内的光，其范围为300-2500nm。

虽然这些提高光吸收率的方法可以提高带宽，降低反射，但是依然很难达到对太阳光谱的全波段吸收，即使有很少的材料可以达到，这些材料也面临着制备过程复杂而难以大规模应用的困境。等离激元共振虽然可以汇聚入射光，增强光的吸收，但是等离激元共振吸收本质上是共振吸收，带宽非常狭窄，为此需要设计精细复杂的结构来提高带宽以实现全光谱吸收的目的。

金属通常被认为对光具有镜面反射的效果，但是当金属尺寸接近光的波长即变成纳米颗粒时镜面反射将会消失但是散射依然很大，而当金属纳米颗粒的尺寸小于40纳米时，反射和散射损耗都将会消失。因此，控制金属纳米颗粒尺寸以及分布状态可以显著地影响其对于光的吸收特性。实际上，不仅是光学吸收，在催化，储能等领域对金属纳米颗粒尺寸和分布状态的调控都有一定的要求。

在现有研究中，纳米颗粒附着于材料表面，无法实质性解决纳米颗粒团聚的问题，在2019年Ting Xu的等人报道的等离激元复合膜中通过纳米颗粒和纳米材料混合，抽滤成光吸收复合材料(Nanoscale,2019,11,437–443)。纳米颗粒沉积在纳米材料的表面，纳米材料起到了一定的分散作用，但是在复合材料的制备过程中依然很难控制纳米颗粒的分布状态，不能保证纳米颗粒不会团聚。另外在这些复合材料使用的过程中，由于纤维表面的纳米颗粒完全暴露在外面，非常容易造成脱落以及团聚；在聚合物材料上负载金属纳米颗粒时，常用的聚合物材料有聚乙烯亚胺/聚乙烯醇纳米纤维膜、聚丙烯酸/聚乙烯醇静电纺纳米纤维膜等，目前尚未有在聚合物材料内部直接嵌入纳米颗粒的研究。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一是提供一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料；本发明的目的二是提供一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料的制备方法；本发明的目的三是提供一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料的应用。

为实现本发明的上述发明目的一，本发明提出以下技术方案:一种金属纳米颗粒-聚合物复合材料，包括固态基体和填充体，所述填充体包括金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒的粒径范围为5-99纳米，相邻所述金属纳米颗粒之间的距离为1-200纳米；所述固态基体包括聚合物纤维材料，所述聚合物纤维材料由聚合物纤维构成，所述聚合物纤维内部有2-500纳米的孔隙；所述填充体分散填充于固态基体内部的孔隙中，所述孔隙用于分散填充体，阻止填充体团聚。

所述孔隙是一种狭长的孔隙，直径在2-50纳米，长度在50-500纳米。

更优选地，所述金属纳米颗粒的粒径范围为10-25纳米。