本申請(qǐng)涉及材料，具體涉及一種光學(xué)janus膜、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、雖然地球70％的表面被水覆蓋，但是只有3％是淡水。淡水短缺是全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最大威脅之一，而且隨著環(huán)境污染的加劇、人口的增長(zhǎng)和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這種情況變得越發(fā)嚴(yán)峻。

2、為此，研究人員已提出多種海水淡化方法，包括反滲透、電滲析、熱蒸餾和膜蒸餾等，但是這些都屬于高能耗方法，會(huì)增加溫室氣體的排放。為滿足在最低能耗下提供淡水的迫切需求，近年來太陽(yáng)能水蒸發(fā)以及基于此的海水淡化方法得到了快速發(fā)展。早在2000多年前，希臘哲學(xué)家亞里士多德就提出利用太陽(yáng)能加熱鹽水并冷凝水蒸氣的方法獲取淡水。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，多種納米尺度的光熱材料被用于高效地捕獲太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為熱能，這使得太陽(yáng)能輔助的水蒸發(fā)成為最有潛力的海水淡化和污水凈化技術(shù)之一。傳統(tǒng)的光熱水蒸發(fā)將水整體加熱，而水蒸發(fā)只發(fā)生在氣液界面，所以此方式的熱利用率較低。

3、近十年發(fā)展出一種太陽(yáng)能界面加熱方法，通過將熱量局域在氣液界面來提高蒸發(fā)效率，具體需滿足吸光表面具有高的吸收率、入射光的高效光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)表面的熱局域和水從體相到熱局域?qū)拥挠行л斶\(yùn)等條件。

4、目前，太陽(yáng)光吸收體與待處理水之間通過單一的熱傳遞模式進(jìn)行熱交換，傳遞效率有待提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種光學(xué)janus膜、制備方法及其應(yīng)用，以克服或者至少部分克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。

2、第一方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種光學(xué)janus膜，所述光學(xué)jauns膜的上表面和下表面具有尺寸不同的微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)包括不規(guī)則聚合物錐、以及所述不規(guī)則聚合物錐之間形成的錐孔；其中，所述上表面具有金屬鍍層。

3、可選的，在上述的光學(xué)janus膜中，所述金屬鍍層的平均厚度大于50nm。

4、可選的，在上述的光學(xué)janus膜中，所述金屬鍍層是由金、銀、銅、鋁、鈀、鈷、鉻、鐵、銦、鉬、鈮、鎳、鉛、鉑、錫、鉭、釩、鎢、鋅、錳、銻、鉍、和鍺中的至少一種形成的。

5、可選的，在上述的光學(xué)janus膜中，所述光學(xué)jauns膜的聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、和聚碳酸酯中的至少一種。

6、可選的，在上述的光學(xué)janus膜中，所述不規(guī)則聚合物錐的長(zhǎng)徑比大于20；所述錐孔的深寬比大于20。

7、第二方面，本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了上述光學(xué)janus膜的制備方法，所述方法包括：

8、基底制備步驟：采用不同輻射注量的高能重離子束分別輻照聚合物基底的上表面和下表面，以使所述上表面和所述下表面產(chǎn)生徑跡損傷；以及將輻照后的聚合物基底放入蝕刻液中進(jìn)行蝕刻，以形成錐孔和不規(guī)則聚合物錐；

9、金屬結(jié)構(gòu)制備步驟：將蝕刻后的聚合物基底的上表面沉積一層金屬鍍層，得到光學(xué)janus膜。

10、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，所述聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、和聚碳酸酯中的至少一種；

11、所述聚合物基底的厚度大于200μm。

12、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在所述基底制備步驟中，若所述聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中的至少一種，則所述蝕刻液為第一氫氧化鈉水溶液與甲醇的任意比例的第一混合液，其中，所述第一氫氧化鈉水溶液的濃度為2.5～9mol/l；

13、若所述聚合物基底包含聚酰亞胺，則所述蝕刻液為第二氫氧化鈉水溶液與次氯酸鈉的任意比例的第二混合液，其中，所述第二氫氧化鈉水溶液的濃度為2.5～9mol/l。

14、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在所述基底制備步驟中，所述第一氫氧化鈉水溶液的濃度為9mol/l，所述甲醇的含量為95％；

15、所述第二氫氧化鈉水溶液的濃度為5mol/l，所述次氯酸鈉的含量為90％。

16、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在所述基底制備步驟中，所述蝕刻是在水浴加熱環(huán)境下進(jìn)行，水浴溫度處于25℃-70℃，蝕刻時(shí)間處于1h-10h。

17、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在所述基底制備步驟中，所述高能重離子選自86kr、129xe、183ta和209bi中的至少一種；且所述高能重離子的離子能量大于1000mev。

18、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在所述基底制備步驟中，所述上表面的輻射注量為5×108ions/cm2～5×109ions/cm2；

19、所述下表面的輻射注量為1×107ions/cm2～1×108ions/cm2。

20、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，所述金屬結(jié)構(gòu)制備步驟中，所述金屬鍍層的沉積采用磁控濺射、真空蒸鍍、離子鍍、原子層沉積、無電化學(xué)沉積中的任意一項(xiàng)進(jìn)行。

21、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，所述金屬鍍層的平均厚度大于50nm。

22、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，所述金屬鍍層是由金、銀、銅、鋁、鈀、鈷、鉻、鐵、銦、鉬、鈮、鎳、鉛、鉑、錫、鉭、釩、鎢、鋅、錳、銻、鉍、和鍺中的至少一種形成的。

23、可選的，在上述的光學(xué)janus膜的制備方法中，在制備得到光學(xué)janus膜的微納結(jié)構(gòu)中，不規(guī)則聚合物錐的長(zhǎng)徑比大于20、錐孔的深寬比大于20。

24、第三方面，本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了一種上述任一的光學(xué)janus膜或者采用上述任一的光學(xué)janus膜的制備方法制備得到的光學(xué)janus膜在太陽(yáng)能水蒸發(fā)中的應(yīng)用。

25、可選的，在上述的應(yīng)用中，太陽(yáng)能水蒸發(fā)是根據(jù)下述步驟進(jìn)行的：

26、將太陽(yáng)能水蒸發(fā)裝置放置于太陽(yáng)下，所述太陽(yáng)能水蒸發(fā)裝置從上至下依次包括：集水箱、供水箱，在所述集水箱頂部從上到下依次設(shè)置有透明保護(hù)蓋、保溫泡沫板、光學(xué)janus膜、汲水條；

27、將所述供水箱中充滿水分，經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)后，從所述太陽(yáng)能水蒸發(fā)裝置的集水箱中收集水分。

28、本申請(qǐng)實(shí)施例采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到以下有益效果：

29、本發(fā)明的光學(xué)janus膜上表面具有太陽(yáng)光選擇性吸收特性，下表面具有輻射加熱功能，在用于太陽(yáng)能水蒸發(fā)時(shí)，具有熱傳導(dǎo)和熱輻射的雙重?fù)Q熱模式，可提升太陽(yáng)光利用率和傳熱效率；且本申請(qǐng)的光學(xué)janus膜是柔性的，可適用于非平坦表面、制備方法簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。

技術(shù)特征：

1.一種光學(xué)janus膜，其特征在于，所述光學(xué)jauns膜的上表面和下表面具有尺寸不同的微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)包括不規(guī)則聚合物錐、以及所述不規(guī)則聚合物錐之間形成的錐孔；其中，所述上表面具有金屬鍍層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)janus膜，其特征在于，所述金屬鍍層的平均厚度大于50nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)janus膜，其特征在于，所述金屬鍍層是由金、銀、銅、鋁、鈀、鈷、鉻、鐵、銦、鉬、鈮、鎳、鉛、鉑、錫、鉭、釩、鎢、鋅、錳、銻、鉍、和鍺中的至少一種形成的。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)janus膜，其特征在于，所述光學(xué)jauns膜的聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、和聚碳酸酯中的至少一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的光學(xué)janus膜，其特征在于，所述不規(guī)則聚合物錐的長(zhǎng)徑比大于20；所述錐孔的深寬比大于20。

6.一種權(quán)利要求1所述的光學(xué)janus膜的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)janus膜的制備方法，其特征在于，所述聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、和聚碳酸酯中的至少一種；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)janus膜的制備方法，其特征在于，在所述基底制備步驟中，若所述聚合物基底選自聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中的至少一種，則所述蝕刻液為第一氫氧化鈉水溶液與甲醇的任意比例的第一混合液，其中，所述第一氫氧化鈉水溶液的濃度為2.5～9mol/l；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)janus膜的制備方法，其特征在于，在所述基底制備步驟中，所述第一氫氧化鈉水溶液的濃度為9mol/l，所述甲醇占所述第一混合液的質(zhì)量含量為95％；

10.一種權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述的光學(xué)janus膜或者采用權(quán)利要求6～9任一項(xiàng)所述的光學(xué)janus膜的制備方法制備得到的光學(xué)janus膜在太陽(yáng)能水蒸發(fā)中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種光學(xué)Janus膜、制備方法及其應(yīng)用，所述光學(xué)Jauns膜的上表面和下表面具有尺寸不同的微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)包括不規(guī)則聚合物錐、以及所述不規(guī)則聚合物錐之間形成的錐孔；其中，所述上表面具有金屬鍍層。本發(fā)明的光學(xué)Janus膜上表面具有太陽(yáng)光選擇性吸收特性，下表面具有輻射加熱功能，在用于太陽(yáng)能水蒸發(fā)時(shí)，具有熱傳導(dǎo)和熱輻射的雙重?fù)Q熱模式，可提升太陽(yáng)光利用率和傳熱效率；且本申請(qǐng)的光學(xué)Janus膜是柔性的，可適用于非平坦表面、制備方法簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。

技術(shù)研發(fā)人員：呂雙寶,段敬來,胡正國(guó),劉杰,徐佳偉,陶蕾
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21