[0037] 本发明提供了一种碳基光热转化薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0038] 将炭黑和乙酸亚铁混合后在密闭条件下进行微波处理，得到膨胀炭黑；
[0039] 将膨胀炭黑和交联剂分散于水中，得到膨胀炭黑分散液；
[0040] 使用混合纤维素滤膜滤除所述膨胀炭黑分散液中的水分，膨胀炭黑和混合纤维素发生交联反应，得到碳基光热转化薄膜；所述混合纤维素滤膜滤膜表面带有氨基。
[0041] 本发明将炭黑和乙酸亚铁混合后在密闭条件下进行微波处理，得到膨胀炭黑。在本发明中，所述炭黑和乙酸亚铁的质量比优选为1:1～3，更优选为1:1～2；所述炭黑的粒径优选为500～1000μm，更优选为600～800μm；本发明对所述炭黑和乙酸亚铁的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知来源的炭黑和乙酸亚铁即可，具体的如市售的炭黑和乙酸亚铁。
[0042] 本发明优选将炭黑和乙酸亚铁混合后进行研磨，得到混合粉末。本发明对研磨的具体时间没有特殊要求，能够使混合粉末的粒径小于炭黑和乙酸亚铁的粒径即可，本发明通过研磨使炭黑和乙酸亚铁混合的更加均匀。
[0043] 得到混合粉末后，本发明将所得混合粉末在密闭条件下进行微波处理，得到膨胀炭黑。在本发明中，所述微波处理的功率优选为800～1000W，更优选为900～950W；所述微波处理的温度优选为260～300℃，更优选为270～280℃；所述微波处理的时间优选为10～20s，更优选为15～18s；本发明对微波处理采用的装置没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的密闭式微波处理装置即可，具体的如密闭式微波反应器。在本发明中，所述膨胀炭黑的的粒径优选为10～100nm，更优选为30～80nm。
[0044] 在本发明中，乙酸亚铁在微波照射下分解产生氧化亚铁、二氧化碳、一氧化碳、氧气和丙酮，丙酮和氧化亚铁反应生成铁、碳化铁、一氧化碳和水，具体的反应方程式如下：
[0045] Fe(CO2CH3)2→FeO+CH3COCH3+CO2
[0046] 2Fe(CO2CH3)2→2FeO+2CH3COCH3+2CO+O2
[0047] 4FeO+CH3COCH3→Fe+Fe3C+2CO+3H2O
[0048] 反应生成的气体在密闭条件下可以使炭黑颗粒体积膨胀，进而使石墨烯薄片剥离，成为膨胀炭黑，并且通过微波处理后，膨胀炭黑表面拥有大量的含氧官能团如羟基，羧基，羰基等，可用于化学改性，实现稳定的共价连接。本发明制备的膨胀炭黑具有比金纳米颗粒更强的光吸收能力和优异的局部热生成能力，可以有效将太阳能转化为热蒸汽。
[0049] 在本发明中，所得膨胀炭黑中掺杂有少量的铁和碳化铁，本发明无需对膨胀炭黑中的铁和碳化铁进行分离，因为铁和碳化铁表面不含有能够与氨基反应的基团，后续无法和混合纤维素薄膜进行交联，因而不会对本发明的碳基光热转化薄膜产生影响。
[0050] 得到膨胀炭黑后，本发明将所述膨胀炭黑和交联剂分散于水中，得到膨胀炭黑分散液。在本发明中，所述交联剂优选为聚乙烯亚胺、聚乙烯胺和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物；所述交联剂为混合物时，本发明对混合物中各组分的质量比没有特殊要求，采用任意质量比混合均可；所述膨胀炭黑和交联剂的质量比优选为1:20～40，更优选为1:25～35；所述膨胀炭黑和水的质量比优选为1:50～700，更优选为1:100～600，最优选为1:200～
500；所述水优选为去离子水。
[0051] 本发明优选将膨胀炭黑、交联剂和水混合后进行超声，使膨胀炭黑和交联剂分散于水中；所述超声的功率优选为300～500W，更优选为400W；所述超声分散的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h。本发明对膨胀炭黑、交联剂和水的混合顺序没有特殊要求，采用任意的混合顺序均可。
[0052] 得到膨胀炭黑分散液后，本发明使用混合纤维素滤膜滤除所述膨胀炭黑分散液中的水分，膨胀炭黑和混合纤维素发生交联反应，得到碳基光热转化薄膜。在本发明中，所述混合纤维素滤膜表面带有氨基；所述膨胀炭黑的质量和混合纤维素滤膜的面积比优选为(10～30)mg：(10～20)cm2，更优选为(12～25)mg:(10～15)cm2；所述混合纤维素滤膜的孔径优选为0.22～0.45μm，更优选为0.45μm；所述混合纤维素滤膜的厚度优选为0.18mm～0.35mm，更优选为0.2～0.3mm。在本发明中，所述混合纤维素滤膜表面带有氨基；本发明对所述混合纤维素滤膜的种类没有特殊要求，表面带有氨基的混合纤维素滤膜均可；本发明对所述混合纤维素滤膜的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的混合纤维素滤膜即可，具体的如市售混合纤维素滤膜。
[0053] 在本发明的具体实施例中，优选通过减压过滤滤除所述膨胀炭黑分散液中的水分，本发明对所述减压过滤的具体操作方法没有特殊要求，能够将水分过滤完全即可。
[0054] 在本发明中，膨胀炭黑表面带有羧基，在过滤过程中，膨胀炭黑表面的羧基和混合纤维素滤膜表面的氨基在交联剂的作用下发生交联反应，形成酰胺键，从而实现膨胀炭黑和混合纤维素滤膜的化学键连接。
[0055] 本发明还提供了上述方案所述制备方法制备的碳基光热转化薄膜。在本发明中，碳基光热转化薄膜包括混合纤维素滤膜和连接在混合纤维素滤膜表面的膨胀炭黑；所述碳基光热转化薄膜中膨胀炭黑的质量优选为0.5～1.5mg/cm2，更优选为1～1.5mg/cm2；本发明提供的碳基光热转化薄膜表面的膨胀炭黑通过化学键和混合纤维素薄膜连接，机械稳定性好。
[0056] 本发明提供了上述方案所述的碳基光热转化薄膜在太阳能光热转化装置中的应用。本发明提供的碳基光热转化薄膜具有高效的光热转化性能，在太阳光的辐照下，可以直接将普通的水、海水、乙醇、丙酮等低沸点的液体转化为水蒸气和气体，具有广阔的应用前景。
[0057] 本发明提供了一种光热转化装置，包括支撑材料、将支撑材料完全包裹的吸水材料和置于吸水材料上表面的如上述方案所述的碳基光热转化薄膜。在本发明中，所述吸水材料优选为无尘纸，更优选为纤维素纸，最优选为醋酸纤维素纸；所述无尘纸的导热系数优选为0.03～0.05W/mK，更优选为0.04W/mK；所述无尘纸的厚度优选为0.5mm～0.7mm，更优选为0.6mm。在本发明中，所述吸水材料具有优异的吸水(液体)性能，在应用过程中，作为液体的通道将液体输送到碳基光热转化薄膜和吸水材料的接触面。
[0058] 在本发明中，所述支撑材料优选为聚苯乙烯泡沫、玻璃棉、岩棉或酚醛泡沫；所述支撑材料的导热系数优选≤0.04W/mK，更优选≤0.03W/mK；所述支撑材料的厚度优选为1cm～1.5cm，更优选为1.1～1.4cm；本发明的支撑材料不仅可以起到支撑作用，还能起到保温的效果，可以有效降低热传导，减少光热转化过程中的热能损失，提高蒸汽化转化效率。
[0059] 在本发明的具体实施例中，优选将本发明提供的光热转化装置置于水、海水、乙醇、丙酮等低沸点液体表面，使之漂浮在液面上，泡沫下层的液体被吸水材料吸收并且源源不断的输送到吸水材料与碳基光热转化薄膜的接触面，碳基光热转化薄膜在光照条件下产生热能，从而将接触面的液体转化为蒸汽。
[0060] 下面结合实施例对本发明提供的碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用及一种光热转化装置进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0061] 实施例1
[0062] 将0.1156g炭黑和0.1156g乙酸亚铁倒入研磨中进行研磨，然后将混合物置于密封的环境下放入微波反应器在900W，300℃条件下反应10s即可得到膨胀炭黑；
[0063] 在2ml去离子水中加入0.525g聚乙烯亚胺和0.015g的膨胀炭黑，混合液在超声波清洗机中超声分散1小时得到均匀的分散液；随后，将分散液减压抽滤到孔径0.45um的混合纤维素滤膜(滤膜面积为20cm2)上，得到碳基光热转化薄膜(ECB/MCE)。
[0064] 使用紫外光谱仪对微波处理前后的炭黑进行检测，所得结果如图1所示；根据图1可以看出，膨胀碳黑对200～1500nm的光透过率小于3％，对整个太阳光的反射率小于3％，因此约有96％的光可以被膨胀炭黑吸收；
[0065] 使用扫描电子显微镜对膨胀炭黑进行观察，所得结果如图2所示；根据图2可以看出，膨胀炭黑呈现出颗粒状纳米结构，且各颗粒之间含有一定的间隙构成多孔结构，有利于蒸汽的逸出。
[0066] 使用XPS测试对膨胀炭黑的C1s进行分析，所得XPS图谱如图3所示；根据图3可以看出，膨胀炭黑具有三种典型的碳的化学键，分别为C-C、O-C、O-C＝O，这些基团的存在使膨胀炭黑能够与混合纤维素滤膜通过化学键连接。
[0067] 使用红外光谱微对波处理前后的炭黑进行检测，所得结果如图4所示；根据图4可以看出膨胀炭黑与炭黑相比约在2916cm-1有一个O-H的峰，从而更好的证明了膨胀炭黑与混合纤维素滤膜是通过化学键连接而并非物理吸附。
[0068] 实施例2
[0069] 使用醋酸纤维素纸(厚度0.5mm)包裹聚苯乙烯泡沫(厚度1.0cm)，将实施例1制备的碳基光热转化薄膜置于醋酸纤维素纸上表面，得到光热转化装置(NES)。
[0070] 制备光热转化装置的流程示意图如图5所示；
[0071] 光热转化性能测试：
[0072] 试验1：将实施例1制备的碳基光热转化薄膜(ECB/MCE)、本实施例制备的光热转化装置(NES)置于水面上，进行光热转化试验，控制光照强度为1kW/m2，对水的温度和质量变化进行检测，所得结果如图6所示，图6为本实施例使用碳基光热转化薄膜和光热转化装置进行光热转化试验时水的质量和温度变化图；根据图6可以看出，使用NES进行光热转化试验，水的质量变化为0.583g/s，使用ECB/MCE进行光热转化试验，水的质量变化约为0.174g/s，而单独对水进行光照的实验组，质量变化仅为0.064g/s；并且NES实验组系统的温度变化最小，仅升高了1.1℃。图6的试验结果表明，本发明提供的碳基光热转化薄膜具有优异的光热转化性能，使用碳基光热转化薄膜组装成的光热转化装置光热转化性能更优，光热转化效率更高，热损失更小。
[0073] 试验2：将碳基光热转化薄膜直接置于聚苯乙烯泡沫上，记为装置1，再将装置1置于水面上进行光热转化试验；同时将本实施例制备的光热转化装置(NES)置于水面上，进行光热转化试验，控制光照强度为1kW/m2，光照时间为40min；对水的温度和质量变化进行检测，所得结果如图7所示，图7为本实施例使用装置1和光热转化装置进行光热转化试验时水的质量和温度变化图；根据图7可以看出，将光热转化装置中的无尘纸去除后(即装置1)，光热转化性能大大下降，水的质量变化甚至低于单独对水进行光照的实验组，说明光热转化装置中的无尘纸起到重要作用，能够将水源源不断的输送到与碳基光热转化薄膜的接触面，从而提高光热转化效率。
[0074] 试验3：对NES进行循环测试，所得结果如图8所示，根据图8可以看出，NES装置循环14次后光热转化性能几乎不变，说明本发明的装置具有优异的机械稳定性和重复使用性；
[0075] 对光热转化效率进行计算，计算公式如式1所示：
[0076] ηep＝(mflu×hlv)/qs式1；
[0077] 式1中：ηep是光热转化效率；
[0078] mflu是水的质量减小速率，g/cm2·s；(mflu＝m水/(s×t)，其中，m水为水的质量变化(单位为g)，可以从图8中直接得出，s为碳基光热转化薄膜面积(单位为cm2)，t为时间(单位为s))；
[0079] hlv是液态水变为气态水的相变值，J/g；
[0080] qs是光照强度，W/m2。
[0081] 根据式1可以计算得出，NES在循环过程中的光热转化效率可以达到85％左右。
[0082] 试验4：使用NES装置对普通水和海水进行光热转化试验，所得结果如图9所示，图9中最小值(普通水)为1.298g，最大值(普通水)为1.518g，平均值(普通水)为1.424g；根据图9可以看出，本发明提供的NES装置对海水也有很好的光热转化性能，可以应用于海水淡化。
[0083] 实施例3
[0084] 按照实施例1的方法制备7组碳基光热转化薄膜，其中混合纤维素滤膜的面积为10cm2，分别控制膨胀炭黑质量为3mg、10mg、15mg、20mg、25mg、30mg和40mg；
[0085] 将7组碳基光热转化薄膜按照实施例2的方法组装成光热转化装置，并使用普通的混合纤维素薄膜按照相同的方法组装成光热转化装置，按照实施例2试验1的方法进行光热转化试验，对水的质量变化进行检测，所得结果如图10所示；根据图10可以看出，含有膨胀炭黑的实验组水的质量变化明显大于不含膨胀炭黑的试验组，且含有15mg膨胀炭黑的NES的质量变化最大。
[0086] 实施例4
[0087] 将实施例1中聚乙烯亚胺的用量由0.525g调整为0.6g，其他制备条件同实施例1，得到碳基光热转化薄膜。
[0088] 将所得碳基光热转化薄膜组装成光热转化装置，按照实施例2的试验1、试验2、试验3、试验4的方法进行光热转化性能测试，所得结果和实施例2相似。
[0089] 实施例5
[0090] 将实施例1中的聚乙烯亚胺替换为聚乙烯胺，其他制备条件同实施例1，得到碳基光热转化薄膜。
[0091] 将所得碳基光热转化薄膜组装成光热转化装置，按照实施例2的试验1、试验2、试验3、试验4的方法进行光热转化性能测试，所得结果和实施例2相似。
[0092] 实施例6
[0093] 将实施例1中的聚乙烯亚胺替换为聚丙酰胺，其他制备条件同实施例1，得到碳基光热转化薄膜。
[0094] 将所得碳基光热转化薄膜组装成光热转化装置，按照实施例2的试验1、试验2、试验3、试验4的方法进行光热转化性能测试，所得结果和实施例2相似。
[0095] 实施例7
[0096] 将实施例1中的聚乙烯亚胺替换为聚丙酰胺，其他制备条件同实施例1，得到碳基光热转化薄膜。
[0097] 将所得碳基光热转化薄膜组装成光热转化装置，按照实施例2的试验1、试验2、试验3、试验4的方法进行光热转化性能测试，所得结果和实施例2相似。
[0098] 实施例8
[0099] 将超声分散时间调整为2h，其他制备条件同实施例3，制备7组碳基光热转化薄膜(混合纤维素滤膜的面积为10cm2，分别控制膨胀炭黑质量为3mg、10mg、15mg、20mg、25mg、30mg和40mg)，按照实施例3的方法进行光热转化试验，所得结果和实施例3相似。
[0100] 由以上实施例可以看出，本发明提供的碳基光热转化薄膜机械稳定性好，可重复使用，具有高效的光热转化性能；且使用碳基光热转化薄膜制备的光热转化装置在1kW/m2的光照条件下，光热转化效率能够达到85％，且14次重复试验后仍能保持稳定的光热性能，具有广阔的应用前景。
[0101] 由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
