[發明專利]基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統

在審

• 申請號: 201710502254.7
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107421131A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 顧佳俊;章瀟慧;孫誠;祝弘濱;劉佰博;張麗嬌;張荻
• 申請（專利權）人: 中車工業研究院有限公司;上海交通大學
• 主分類號: F24J2/00
• 分類號: F24J2/00;F24J2/48;C23C14/34;C23C14/20;C23C18/44;F22B1/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王文君,王文紅

技術領域

本發明屬于光熱轉換材料領域，具體涉及一種具有表面等離子共振效應的光熱轉換系統。

背景技術

液體蒸發對于許多基本過程和工業應用具有重要意義。目前對于液體蒸發的研究主要基于兩個問題，一個是蒸發驅動力即能量來源的取舍，由于蒸發為吸熱過程，其必須有外界能量供給使得蒸發作用得以持續進行，因此對于能量來源的選擇十分重要。而另一個則是蒸發過程中的能量轉化效率，這也是研究蒸發的核心問題。對于利用高壓蒸汽發電的電站來說，高效的蒸發過程能夠大幅提高整個系統的產能效率，并因此節省大量的成本。另一方面，高效的蒸發過程也能夠顯著提高基于相變的熱傳導系統，例如熱管和蒸汽室。而高效、高分辨率的選擇性蒸發也能大幅提升蒸餾過程中對混合物的分離效率。

考慮到能源清潔化的發展趨勢，光能因其無污染、來源廣泛的性質受到眾多研究的青睞。目前大量的研究致力于將自然界中最常見也最易獲取的太陽光能轉化為其他形式的能量，例如化學能、電能等。其中光的熱效應對于液體蒸發具有重要意義，一般認為是由光熱效應引起，即材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高。然而直接照射液體由于其實際照射面積小，熱能擴散快等原因，導致光熱轉換效率極其低下，無法投入實際應用中。因此，需要尋找對照射光具有匯聚、放大等作用的材料來提高光能的利用率。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統。

本發明的另一目的是提出所述基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統的應用。

本發明的第三個目的是提出所述基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統的制備方法。

本發明上述目的通過以下技術方案來實現：

一種基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統，包括具有生物形態精細分級結構的金屬材料，以及吸熱材料，所述具有生物形態精細分級結構的金屬材料粘接在吸熱材料的一側。

其中，所述具有生物形態精細分級結構的金屬材料是在模板化的生物翅膀表面鍍覆納米級貴金屬顆粒而得；所述貴金屬選自金、銀、鉑、銥、釕、銠中的一種或多種；鍍覆的金屬顆粒層厚度為20-50nm。

其中，所述吸熱材料為碳紙、碳布、碳氈、碳納米管、紙、石墨烯中的一種或兩種。

其中，所述生物形態精細分級結構包括周期式排布的分立突起型嵴結構，和/或末端分叉的樹枝狀結構。

進一步地，所述生物形態精細分級結構是以生物的翅膀為基體，經過酸溶液脫礦處理得到。

本發明所述基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統的制備方法，包括生物翅膀脫礦處理和表面鍍覆貴金屬顆粒的操作，

所述生物翅膀脫礦處理，是以蝴蝶、飛蛾、蜻蜓的翅膀為基體，在常溫下用酸溶液處理，所述酸溶液為硫酸、硝酸、鹽酸中的一種，質量濃度為5～20％；處理的時間為1～5小時，干燥后得到生物翅膀模板；

所述表面鍍覆貴金屬顆粒，是將貴金屬顆粒通過化學施鍍和/或等離子濺射的方法，鍍覆到所述生物翅膀模板上，得到具有生物形態精細分級結構的金屬材料。

優選地，所述化學施鍍為：將生物翅膀模板置于化學鍍液中20-30min；所述化學鍍液由質量濃度的0.2～5％金屬鹽溶液、2～5％氨水，2～10％絡合劑、余量的水組成；所述金屬鹽為硝酸銀、溴化銀、氯金酸鈉、氯鉑酸、氯銥酸中的一種；所述絡合劑為檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、三乙醇胺、酒石酸鉀納中的一種或多種。

所述的制備方法，還包括將具有生物形態精細分級結構的金屬材料粘接到吸熱材料上的操作；所述粘接采用防水的粘接劑。

本發明所述基于生物精細結構及表面等離子共振效應的光熱轉化系統的應用，將所述光熱轉化系統置于光照下，所述光熱轉化系統與待加熱液體接觸。

更進一步地，所述待加熱液體為海水；所述光熱轉化系統置于水面上、或水面下0.2cm以內。

本發明的有益效果為：

本發明結合貴金屬的局域表面等離子共振效應(Localized SPRs,LSPRs)，選擇具有三維周期性結構的貴金屬。已有研究明確指出，在電磁波的作用下，金屬微納結構內部電子的協同振蕩會在其表面激發產生表面等離激元共振效應，從而增強金屬表面的局域電磁場，可在亞波長范圍內形成光匯聚、光波導、光增強、光儲存等光學效應，即具有良好的光熱效應。受到某些蝶翅鱗片表現出天然的光子晶體特征這一現象的啟發，具有類蝶翅微觀結構的貴金屬的SPR能夠被大幅增強，顯示出更多的活性點，從而光熱效應更為明顯。