【摘要】：太陽能在各能源領域具有重要的地位,人類所需能量不再單純依賴于化石燃料,未來大力發(fā)展能夠滿足各種應用需求和具有競爭力的太陽能光熱轉(zhuǎn)換器件是至關(guān)重要的。一些具有等離子體共振效應的半導體材料及貴金屬材料,如硫化銅和納米金顆粒等,能產(chǎn)生良好的光熱效果,通過與薄膜基體材料復合,可以得到等離子共振增強的光熱轉(zhuǎn)換薄膜,實現(xiàn)在海水淡化以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領域的應用�；谔柲芄鉄徂D(zhuǎn)換薄膜的海水淡化技術(shù)理論上可以提供無限、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)水,并且不損害大自然的淡水生態(tài)系統(tǒng)。此外,能源的利用存在時間匹配問題,將能源提前收集起來在合適的時間進行使用,具有重要意義,因此,未來兼具儲熱性能的光熱轉(zhuǎn)換薄膜預期有更廣泛的使用范圍,如農(nóng)業(yè)溫室大棚,調(diào)溫建筑/服裝等領域。本論文制備了三種有機-無機材料復合的光熱轉(zhuǎn)換薄膜,包括硫化銅-聚乙烯復合薄膜、硫化銅-纖維素復合薄膜和聚乙二醇-聚乙烯醇-納米金復合薄膜,并研究了其制備方法、結(jié)構(gòu)表征及其在光熱轉(zhuǎn)換、海水淡化等方面的應用。第一種是硫化銅-聚乙烯復合光熱轉(zhuǎn)換薄膜用于海水淡化的研究�；谠鰪娊缑嫣幍乃终舭l(fā)的策略,本文利用溶劑熱法制備了一種具有高吸光率(93%)、低熱導(0.067 W m-1 K-1)、自漂浮性、親水性和多孔性等優(yōu)異性能的硫化銅-聚乙烯復合薄膜。硫化銅是一種P型多功能半導體,由于其表面的等離子體共振效應,納米硫化銅能帶躍遷能產(chǎn)生對近紅外光的特殊波段的吸收,而太陽光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生熱效應,因此可作為一種理想的太陽能吸收材料。此外,多孔聚乙烯薄膜的黑色表面,能吸收大部分太陽光,減少因反射造成的太陽光損失。在功率密度為1 kW m-2的模擬太陽光照射下,覆蓋有硫化銅-聚乙烯光熱轉(zhuǎn)換薄膜的模擬海水表面溫度可以達到37.6 ℃,太陽能光熱蒸發(fā)水的效率達到63.9%。同時,該薄膜具有良好的穩(wěn)定性。此外,基于界面加熱,設計并組裝了一個簡易的太陽能蒸餾裝置,模擬太陽能海水淡化脫鹽過程。由于硫化銅-聚乙烯復合多孔薄膜優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效果和太陽能蒸餾裝置較小的熱損失,這種硫化銅-聚乙烯復合多孔薄膜未來有望在大規(guī)模生產(chǎn)淡水方面得到實際應用。第二種是硫化銅-纖維素復合光熱轉(zhuǎn)換薄膜用于海水淡化的研究。目前市場上的纖維素薄膜具有高的孔隙率,優(yōu)異的機械性能和良好的化學反應活性。其合成過程簡單,可大規(guī)模制備,而且對環(huán)境友好。此外,纖維素具有低的導熱系數(shù)和良好的親水性,便于進行有效的水分傳輸。因此,纖維素可作為實現(xiàn)界面加熱的輔助材料,將其用作原位生長光熱轉(zhuǎn)換納米材料的基底,實現(xiàn)海水淡化等應用。本文選用含竹炭的黑色纖維素薄膜,通過預處理,利用溶劑熱法在纖維素薄膜表面成功生長了大量的空殼納米硫化銅顆粒,在功率密度為1 kW m-2的模擬太陽光照射下,可升溫至70 ℃,將其用于海水淡化過程,其太陽能光熱蒸發(fā)水的效率接近85%。第三種是兼具光熱轉(zhuǎn)換和熱能存儲與釋放功能的聚乙二醇-聚乙烯醇-納米金固-固相變復合薄膜。復合薄膜以聚乙烯醇為基底,添加痕量的具有表面等離子共振功能的納米金顆粒實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換,另外添加聚乙二醇作為相變儲能材料。外加光照時,薄膜首先通過納米金顆粒進行光熱轉(zhuǎn)換,然后將轉(zhuǎn)換得到的熱能通過聚乙二醇相變材料儲存起來,將儲能效率提高了 201%。通過將聚乙二醇分子鏈的運動限制在聚乙烯醇的三維網(wǎng)絡中,實現(xiàn)了固-固相變,解決了傳統(tǒng)相變材料在使用過程中存在的封裝、泄漏等問題。潛熱儲能過程中,其溫度變化比較小,儲能密度較大,而且復合薄膜材料的穩(wěn)定性較高,在農(nóng)業(yè)蔬菜大棚保溫、調(diào)溫建筑/服裝、光熱發(fā)電器件等方面都具有廣泛應用。實驗中通過XRD、TEM、SEM、IR及DSC等方法對各薄膜進行了結(jié)構(gòu)的表征及性能測試。
【圖文】：

動大幅增加，即產(chǎn)生局部表面等離子體共振效應（ＬＳＰＲ），使得金納米材料對近逡逑紅外光有較強的吸收，而吸收峰的波長和強度與材料的結(jié)構(gòu)、形貌密切相關(guān)，逡逑如圖１．１所示。Ａｕ納米顆粒的光熱特性主要源于其局域表面等離子體共振效應，逡逑Ａｕ邋ＮＰｓ具有較高的截面吸收特性，在激光的照射下能有效地將其吸收的能量轉(zhuǎn)逡逑換為熱能，而且其吸收共振峰的位置主要受直徑大小的影響［１２＿１６］。逡逑香‘邋ｉｃｉ：邋ＭＲＳ：＼邋Ａ邐．／邐ｉｉｉ？＇邋／邋＼逡逑ｉ：逡逑}眫栧文饒燃渝鍈0，腳麟邋財）邋ＢＭ邋１００Ｃ邐？Ｋ邋１９０邋ＳＯＯ邋１灥峨~T邋１sE逡逑Ｗｓｖｃ＾ｇｔｈ邋（ｎｍ）邐Ｗａ？？ｃｎｇｔｈ邋（ｎｍ）邐Ｗａｖｅｌ＾ｇ＾ｉ邋｛ｎｍｊ逡逑圖１．１不同結(jié)構(gòu)的金納米光熱轉(zhuǎn)換材料的ＴＥＭ圖及光吸收圖。逡逑第二類是半導體光熱轉(zhuǎn)換材料，如Ｃｕ２＿ｘＳ和…（＾＾等。半導體材料可以通逡逑過摻雜方式得到表面具有等離子體共振效應的納米顆粒，制造方法簡單、成本逡逑２逡逑

合成法等方法進行制備，制備過程中易形成空穴摻雜的缺陷結(jié)構(gòu)，從而在近紅逡逑外光照射下產(chǎn)生表面等離子體共振效應。Ｗａｎｇ等人成功合成Ｃｕ７Ｓ４納米晶（如逡逑圖１．２所示），并證實其具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能（８０８邋ｎｍ，ＬＯＷ邋ｃｍ－２激光照逡逑射下，光熱轉(zhuǎn)換效率達到５２．９２％），在光熱成像以及光學指紋偵測領域具有良逡逑好的應用價值［２（）］。逡逑W逡逑（ｄ）６０ｉ邐ＣＷ邋ＮＣｓ逡逑＿＿＿邐Ｃａｍｅｒａ逡逑％邋霸邋ｖ寒邋Ｉ逡逑Ｉ邐／／邐［Ｐｏ＾ｃｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ］邐政？邋Ｕ逡逑叫，，？．ｏｗｗ邐＇邐＾逡逑Ｐ邋？？邋＊邋？？邋＊邋＾逡逑0邋４０邐ｎｍ＊＼ｒ邋⑶邐Ｐｈｏｔ（？��？ｒｍａ！邐ｉｍａｇｉｎｇ逡逑圖１．２邋（ａ）疏水性Ｃｕ７Ｓ４納米顆粒的低分辨透射電子顯微鏡圖；（ｂ）親水性Ｃｕ７Ｓ４納米晶的低分逡逑辨透射顯微鏡圖；（ｃ）親水性Ｃｕ７Ｓ４納米晶形成機理；（ｄ）兩種材料在８０８邋ｎｍ的激光照射下的逡逑光熱轉(zhuǎn)換圖譜；（ｅ）光熱成像指紋檢測示意圖。逡逑３逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK51;TB383.2

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本文編號：2660456