纳米多孔金属_金属氧化物薄膜的制备及其光热应用.pdfVIP

摘要

随着全球人口数量的急剧增长和工业化进程的迅猛发展，淡水资源稀缺成

为了亟需解决的问题。传统的太阳能海水淡化工艺效率低、成本高且环境负担

重，难以满足绿色、高效、可持续地提供淡水的需求。太阳能驱动水蒸发实现

高效太阳能海水淡化，需要先进的光热转换材料作为支撑。然而目前常用的光

热转换材料大量使用Au、Ag等贵金属材料，较高的制备成本难以满足大规模

应用的需求。因此本课题分别使用极低载量的(NiCoFeCr)99Au1合金和不含贵金

属的富Al合金作为前驱体，利用腐蚀法制备出纳米金薄膜（NPG）和纳米多孔

高熵氧化物（np-HEOs）复合薄膜，并对其光热转换性能进行研究。

研究表明，(NiCoFeCr)99Au1在腐蚀过程中，高熵前驱体经历各向异性收缩，

使其具有更大的表面积，从而提高Au在光热转换应用场景下的利用效率。低

Au载量导致得到的NPG具有独特的层片状纳米多孔结构，并且每个片层中都

有微/纳米孔，拓宽了光的吸收范围，使多孔薄膜在250-2500nm之间的光吸收

率达到71.1-94.6%。此外，该薄膜具有优异的亲水性，接触角能够在2.2s内达

到0。因此，性能最优的NPG在1kWm-2光强下表现出1.53kgm-2h-1的水蒸

发速率，光热转换效率达到96.28%。经过10次循环测试后，蒸发速率基本稳

定在1.50kgm-2h-1。

对于组分可调的np-HEOs，将其粉末与PVDF复合，制备出不同组分的自

漂浮的纳米多孔高熵氧化物复合薄膜。通过有选择性地增加元素，得到性能优

最优的9组分AlNiCoFeCrMoVCuTi-Ox复合薄膜。密度泛函理论（DFT）计算

表明，这种材料的带隙显著减小，有利于电子在光的诱导下跃迁到导带，从而

更容易产生电子-空穴对，提升材料的吸光性能。并且在纳米多孔结构的协同下，

这些复合薄膜在250-2500nm光谱范围内的吸收率都超过了93%。此外，np-

HEOs的低结晶度导致热导率降低，确保其捕获的光能有效转化为热能。1kW

-2

m光强下，9-np-HEOs薄膜的表面温度能在90s内迅速上升至110℃，并在120

s后达到113℃的最高稳定温度，其纯水蒸发速率高达2.16kgm-2h-1，光热转换

效率为95.7%。并且这些复合薄膜都具备自清洁能力，提升长时间使用的稳定

性。海水淡化测试结果表明，淡化后的水中特征离子的浓度下降了3个数量级，

符合WHO的饮用水标准。

关键词：高熵合金；纳米多孔；光热转换；自支撑

Keywords:high-entropyalloys,nanoporous,photothermalconversion,self-

supporting

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1引言1

1.2腐蚀法制备超轻金属/金属氧化物概述1

1.3光热转换材料的研究现状3

1.3.1碳基材料3

1.3.2聚合物材料7

1.3.3金属基材料9

1.3.4半导体材料14

1.4太阳能水蒸发系统的类别17

1.5太阳能水蒸发系统的影响因素19

1.6论文工作的意义和主要研究内容20

第2章实验部分22

2.1实验材料22

2.2实验仪器22

2.3材料制备23

2.3.1前驱体合金的制备24

2.3.2纳米多孔金属薄膜的制备24

2.3.3复合金属氧化物薄膜的制备24

2.4微观结构表征25

2.4.1X射线衍射分析（XRD）25

2.4.2扫描电子电镜-能谱分析（SEM-EDS）25

2.4.3透射电子显微镜分析（TEM）26

2.4.4紫外/可见光/近红外