阅读说明：本技术 一种光热转换多孔结构的制备方法及太阳能蒸发装置 (Preparation method of photo-thermal conversion porous structure and solar evaporation device ) 是由 程道来 聂寒璐 吕凤勇 林思帆 于 2021-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光热转换多孔结构的制备方法及太阳能蒸发装置,包括泡沫铜和氧化石墨烯,采用如下步骤：S1：配置NaOH和(NH4)2S2O8碱性混合溶液；S2：将所述泡沫铜依次用丙酮、酒精、蒸馏水、盐酸溶液和所述蒸馏水超声清洗,清洗完后用氮气吹干；S3：将所述泡沫铜浸入所述NaOH和(NH4)2S2O8碱性混合溶液中,然后进行恒温氧化,氧化后的所述泡沫铜用蒸馏水冲洗、干燥,使所述泡沫铜表面形成超亲水纳米CuO结构；S4：将所述氧化石墨烯利用超声分散于蒸馏水中,得到GO溶液；S5：将所述泡沫铜浸入所述GO溶液,使得所述氧化石墨烯沉积在所述泡沫铜表面,然后进行恒温干燥,得到CuO/GO复合光热转换结构。该制备方法简单、高效,不需要复杂设备,成本低廉。(The invention discloses a preparation method of a photothermal conversion porous structure and a solar evaporation device, wherein the preparation method comprises the following steps of: s1: preparing an alkaline mixed solution of NaOH and (NH4)2S2O 8; s2: ultrasonically cleaning the foamy copper by using acetone, alcohol, distilled water, a hydrochloric acid solution and the distilled water in sequence, and blow-drying by using nitrogen after cleaning; s3: soaking the copper foam into the alkaline mixed solution of NaOH and (NH4)2S2O8, then carrying out constant-temperature oxidation, washing the oxidized copper foam with distilled water, and drying to form an ultra-hydrophilic nano CuO structure on the surface of the copper foam; s4: dispersing the graphene oxide in distilled water by utilizing ultrasonic waves to obtain a GO solution; s5: and immersing the foamy copper into the GO solution to enable the graphene oxide to be deposited on the surface of the foamy copper, and then drying at constant temperature to obtain the CuO/GO composite photo-thermal conversion structure. The preparation method is simple and efficient, does not need complex equipment and has low cost.)

一种光热转换多孔结构的制备方法及太阳能蒸发装置

技术领域

本发明属于光热材料技术领域，尤其涉及一种光热转换多孔结构的制备方法及太阳能蒸发装置。

背景技术

太阳能热技术是太阳能获取和利用最直接的方式。太阳能驱动水界面蒸发就是太阳能热技术的应用之一，因其完全利用太阳能不需要额外输入能量，所以拥有很好的应用前景。

目前，太阳能驱动水界面蒸发主要依赖于光热材料吸收太阳辐射能，并将热量直接地或间接地传递给流体，但是在太阳辐射能吸收以及热量传递的过程中损失较大，增加了光热系统的成本，限制了太阳能水蒸发技术的应用与推广。而纳米结构的多孔光热材料可以增强对太阳辐射能的体吸收，提高光热转换效率。在太阳能界面蒸发系统中，太阳的投入辐射选择性地加热顶部的蒸发部分，而不是整个水体，避免了水体加热，可以有效的提高蒸发效率。目前，太阳能界面蒸发主要集中在自漂浮的各种吸光材料上，但太阳光入射到界面上时也存在一定层度的反射，又由于蒸发界面积有限在一定程度上限制了蒸发效率。

现有的光热材料成本高，且制备方法复杂、效率低，直接制约了太阳能界面蒸发技术的推广及应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种光热转换多孔结构的制备方法及太阳能蒸发装置，该制备方法简单、高效，不需要复杂设备，成本低廉。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种光热转换多孔结构的制备方法，包括泡沫铜和氧化石墨烯，采用如下步骤：

S1：配置NaOH和(NH₄)₂S₂O₈碱性混合溶液；

S2：将所述泡沫铜依次用丙酮、酒精、蒸馏水、盐酸溶液和所述蒸馏水超声清洗，清洗完后用氮气吹干；

S3：将所述泡沫铜浸入所述NaOH和(NH₄)₂S₂O₈碱性混合溶液中，然后进行恒温氧化，氧化后的所述泡沫铜用蒸馏水冲洗、干燥，使所述泡沫铜表面形成超亲水纳米CuO结构；

S4：将所述氧化石墨烯利用超声分散于蒸馏水中，得到GO溶液；

S5：将所述泡沫铜浸入所述GO溶液，使得所述氧化石墨烯沉积在所述泡沫铜表面，然后进行恒温干燥，得到CuO/GO复合光热转换结构。

根据本发明一实施例，S1中的所述NaOH和(NH₄)₂S₂O₈碱性混合溶液，NaOH与(NH₄)₂S₂O₈的摩尔浓度比为25:1。

根据本发明一实施例，S2中所述盐酸溶液浓度为2wt％～5wt％。

根据本发明一实施例，S3中恒温氧化的温度为70℃、时间为30min。

根据本发明一实施例，S4中所述GO溶液浓度为5mg/mL。

根据本发明一实施例，S5中所述泡沫铜浸泡时间为5min，恒温干燥温度为50℃、时间为1h。

基于相同构思，本发明还提供一种太阳能蒸发装置，包括由上述任一实施例的光热转换多孔结构的制备方法制得的所述CuO/GO复合光热转换结构，还包括：

隔热容器，储有水且其顶部开口；

绝热层，设于所述隔热容器中且位于所述水的上方；

输水层，设于所述隔热容器中且位于所述绝热层的上方，所述输水层的两侧向下穿过所述绝热层延伸至所述水中，用于吸收并传输所述水；

所述CuO/GO复合光热转换结构设于所述隔热容器中且位于输水层的上方，所述输水层将所述水输送至所述CuO/GO复合光热转换结构。

根据本发明一实施例，所述绝热层的材质为多孔塑料泡沫。

根据本发明一实施例，所述输水层的材质为高吸水性材料。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实施例中S1至S5步骤，通过化学反应在泡沫铜的骨架结构表面制备超亲水纳米CuO结构，之后沉积GO形成CuO/GO复合光热转换结构，制备成本低廉，过程简单，不需要复杂设备。

(2)本发明实施例中太阳能蒸发装置的CuO/GO复合光热转换结构将入射太阳光由面吸收转变为体吸收；由于黑色的CuO和GO，增强了对太阳光的吸收能力；同时又因为泡沫铜上的纳米CuO结构具有超亲水性，泡沫铜很容易被水润湿，提高薄液膜蒸发能力；使得泡沫铜中水的蒸发过程由面蒸发转变为体蒸发，进一步提高光的吸收性能及蒸发性能。

(3)本发明实施例中绝热层为低导热率的多孔塑料泡沫，减少了热量向水体的导热损失。输水层为吸水性非常好的材料，在毛细力的作用下从底部水体中吸收水分，沿隔热容器内壁四周将水分持续不断的输送到CuO/GO复合光热转换结构，又由于绝热层的导热系数非常低，使得热量集中在蒸发层，从而促进液膜蒸发，进一步提高光热转换效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细说明，其中：

图1为本发明太阳能蒸发装置整体示意图；

图2为本发明超亲水纳米CuO结构的SEM示意图；

图3为本发明超亲水接触角(接触角为)的示意图；

图4为本发明CuO/GO复合光热转换结构示意图。

附图标记说明：

1：隔热容器；2：CuO/GO复合光热转换结构；3：输水层；4：绝热层；5：水。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

本发明的核心是提供一种光热转换多孔结构的制备方法，包括泡沫铜和氧化石墨烯，采用如下步骤：

S1：配置NaOH和(NH₄)₂S₂O₈碱性混合溶液，分别将NaOH和(NH₄)₂S₂O₈加入不同烧杯中用蒸馏水充分溶解后，再混合并搅拌至均匀。且NaOH和(NH4)2S2O8碱性混合溶液中NaOH与(NH4)2S2O8的摩尔浓度比为25:1。

S2：将泡沫铜依次用丙酮、酒精、蒸馏水、盐酸溶液和蒸馏水超声清洗，清洗5～10min，清洗完后用氮气吹干，从而除去泡沫铜表面的有机物、杂质、氧化物和氢氧化物等。其中盐酸溶液浓度为2wt％～5wt％。

S3：将泡沫铜浸入NaOH和(NH₄)₂S₂O₈碱性混合溶液中，然后进行恒温氧化，恒温氧化的温度为70℃、时间为30min。氧化后的泡沫铜用蒸馏水冲洗、干燥，使泡沫铜表面形成超亲水纳米CuO结构，参见图2。

S4：将氧化石墨烯利用超声分散于蒸馏水中，得到GO溶液，GO溶液浓度为5mg/mL。

S5：将泡沫铜浸入GO溶液，浸泡时间为5min，使得氧化石墨烯沉积在泡沫铜表面，然后进行恒温干燥，恒温干燥温度为50℃、时间为1h。最后得到CuO/GO复合光热转换结构，参见图4。

S1至S5步骤，通过化学反应在泡沫铜的骨架结构表面制备超亲水纳米CuO结构，之后沉积GO形成CuO/GO复合光热转换结构，制备成本低廉，过程简单，不需要复杂设备。

实施例2

本发明的另一核心是提供一种太阳能蒸发装置，包括采用实施例1的光热转换多孔结构的制备方法制得的CuO/GO复合光热转换结构2，还包括隔热容器1、绝热层4和输水层3。

隔热容器1的底部储有水5，且其顶部开口。优选地，隔热容器1为低导热率塑料容器。

绝热层4设于隔热容器1中且位于水5的上方，绝热层4的材质为多孔塑料泡沫，能有效减少从上往下的传热损失。

输水层3设于隔热容器1中且位于绝热层4的上方，输水层3的两侧向下穿过绝热层4延伸至水5中，用于吸收并传输水，输水层3的材质为高吸水性材料，本实施例中采用医用纱布。能够有效吸收并将水输运至CuO/GO复合光热转换结构2。

CuO/GO复合光热转换结构2设于隔热容器1中且位于输水层3的上方，输水层3将水输送至CuO/GO复合光热转换结构2，并将其完全润湿。CuO/GO复合光热转换结构2吸收太阳能以蒸发输送至其内的水，

然后利用太阳能模拟器模拟太阳光，并垂直照射于CuO/GO复合光热转换结构2上。通过辐照计获得光照强度；通过天平获得蒸发前后的质量变化；通过T型热电偶获得温度变化数据。在稳定条件下每30min采集一次质量，每30s采集一次温度，持续测试180min。通过对实验数据的计算和分析可以得出水的蒸发效率以及本发明的光热转换效率。

本发明以泡沫铜作为骨架结构，通过氧化反应以及物理沉积的方法制得CuO/GO复合光热转换结构2。可以实现对入射光的高吸收，增强光热转换能力，并迅速加热结构上的水分子，使受热面发生液膜蒸发，提高蒸发强度。制作成本低，易于推广，在海水淡化、污水处理等方面具有广泛的应用前景。且多孔骨架结构增强了光热材料对太阳辐射的体吸收，减少蒸发结构到水体的导热损失，进一步提高太阳能光热转换能力及蒸发效率，且本发明采用成本低廉的泡沫铜构建太阳能体吸收骨架，利用多孔塑料泡沫作为隔热材料，其表面制备方法简单、高效。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。