本發(fā)明涉及光熱轉(zhuǎn)化復(fù)合材料及其制備方法。具體的是，以氧化石墨烯作為支撐材料來制備光熱轉(zhuǎn)化材料從而得到一種高效制備太陽能蒸汽的氧化石墨烯基的復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

太陽能作為一種清潔和取之不盡的能源引起了人們極大的興趣，在太陽光譜中有50%的可見光和43%的紅外光，紫外和可見光部分可以用于太陽能的光電轉(zhuǎn)化，而太陽光所有光譜范圍的能量都可以轉(zhuǎn)化成熱。與復(fù)雜昂貴低效率光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相比，太陽能光熱轉(zhuǎn)化無疑可以作為一種簡單直接高效利用太陽能的途徑。

傳統(tǒng)的太陽能集熱器吸收可見和紅外光部分，在自然光照下光熱轉(zhuǎn)化效率可以達到30%左右。近期，越來越多的人關(guān)注納米流體的傳熱性能以及它在太陽能吸收和熱轉(zhuǎn)化的應(yīng)用。納米流體直接產(chǎn)生太陽蒸汽也引起了廣泛關(guān)注。目前，在已報到的太陽能蒸汽制備技術(shù)中，Halas最早提出金屬納米粒子由于表面等離子共振效應(yīng)可以在高聚光條件下，納米流體產(chǎn)生太陽能蒸汽，然后陳等人在10個太陽光照強度下，利用分散在水中的石墨，炭黑以及石墨烯也成功制備了太陽能蒸汽。這些研究都是集中在單一粒子光熱轉(zhuǎn)化性能，關(guān)于納米復(fù)合材料的光熱性能，并沒有涉及到。因此研究納米粒子之間的協(xié)同效應(yīng)應(yīng)用到光熱轉(zhuǎn)化方面具有重大意義。

金納米粒子作為最早研究的等離子體共振粒子，被廣泛用于光熱治療等方面研究。石墨烯是一種新型的二維碳納米材料由單層碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列而成的二維碳材料，是已知世界上最薄的二維材料，因為其質(zhì)量輕、機械強度和硬度大、導(dǎo)熱性能好，是理想的納米粒子支撐材料。所以，氧化石墨烯/金納米粒子復(fù)合物是一種既普通又具有代表性的復(fù)合物，對其光熱性能的研究可推廣到其他多種納米復(fù)合物。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，通過在氧化石墨烯分散液中加入金納米粒子提高氧化石墨烯太陽能蒸汽產(chǎn)生效率，降低由單純金納米粒子制備蒸汽的成本以及克服由單純氧化石墨烯制備蒸汽的效率不高等問題。

本發(fā)明以氧化石墨烯作為一種支撐材料，利用機械攪拌輔助使氧化石墨烯與金納米粒子均勻的混合，得到氧化石墨烯/金復(fù)合材料。其中氧化石墨烯起到吸收太陽光并轉(zhuǎn)化成熱量和增強納米流體導(dǎo)熱性能的作用，金納米粒子由于表面等離子效應(yīng)在太陽光照射下表面會產(chǎn)生大量的熱，氧化石墨烯與金納米粒子間的協(xié)同效應(yīng)一方面增強了復(fù)合材料對光的吸收，另一方面促進熱量快速傳導(dǎo)到周圍水分子并使其汽化。在微量的金納米粒子添加以后該復(fù)合材料的太陽能蒸汽產(chǎn)生效率可以提高10%，光熱轉(zhuǎn)化能力也得到明顯提升，證明了金的加入顯著增強了復(fù)合材料的太陽能蒸汽產(chǎn)生性能和光熱轉(zhuǎn)化性能。該制備的方法與傳統(tǒng)方法相比具有操作更加簡便且大大提高效率節(jié)省成本等優(yōu)點。

本發(fā)明可以通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料及其制備方法，所述氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料由下述方法制備：

（1）氧化石墨烯分散液的制備：將10-100mL分析純的濃硫酸和20-100mL分析純的濃磷酸混合，然后加入1-200g天然鱗片石墨，劇烈攪拌防止團聚；待分散均勻后，加入10-200g高錳酸鉀，并在在30-80℃油浴條件下磁力攪拌2-48小時，最后將產(chǎn)物倒入冰和雙氧水（30wt%）混合物中；待反應(yīng)完成后，將產(chǎn)物洗滌，超聲剝離，用氫氧化鈉絮凝并于20-80℃干燥2-10小時，研磨，得到氧化石墨烯固體粉末；將氧化石墨烯粉末加入去離子水中，超聲并攪拌使之均勻分散，配置成氧化石墨烯分散液；所述濃硫酸濃度為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)95%-98%，濃磷酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于85%。

（2）金溶膠的制備：0.01-0.1mol氯金酸加入到10-150mL水中，油浴加熱，然后加入2-10mL濃度為0.01-0.1mol/mL的檸檬酸鈉溶液，溶液顏色由淺黃色變?yōu)榫萍t色，溶液磁力攪拌沸騰停止反應(yīng)，冷卻至室溫得到含有金納米粒子的金溶膠。

（3）氧化石墨烯/金復(fù)合物的制備：將步驟（2）通過檸檬酸還原法制備的金溶膠加入到步驟（1）所得的氧化石墨烯分散液中，磁力攪拌，得到均勻分散的氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料的分散液；

步驟（1）氧化石墨烯分散液的濃度為0.2 mg/mL～1 mg/mL。

步驟（2）中所述還原劑包括檸檬酸鈉、抗壞血酸和硫代硫酸鈉等的一種或者幾種混合物；金納米粒子的直徑在10-100nm。

步驟（3）氧化石墨烯/金光納米復(fù)合材料中金納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是1‰～30‰。

步驟（1）中超聲剝離時間為5-24h，步驟（2）中所述磁力攪拌時間為10-30分鐘，步驟（3）中所述磁力攪拌時間為10-30分鐘。

步驟（2）中在油浴加熱溫度伴隨磁力攪拌的溫度為70-120℃。

本發(fā)明還提供了所述氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料在太陽能光熱轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。所述復(fù)合材料具有高效的光熱轉(zhuǎn)化性能，在太陽光的輻照下，可以直接將水、甲醇、乙醇、丙酮等低沸點液體中的一種或幾種混合液體轉(zhuǎn)化為水蒸氣或氣體。

本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和積極效果：

1.本發(fā)明采用親水性氧化石墨烯作為支撐材料，氧化石墨烯不僅具有與石墨烯性質(zhì)相似的好的導(dǎo)熱性能，而且具有大的比表面積能夠承載金納米粒子有利于形成分散均勻納米復(fù)合材料。

2.利用簡單金納米粒子與氧化石墨烯分散液混合，得到高效太陽能蒸汽制備技術(shù)。金納米粒子的加入提高了太陽能蒸汽效率，而且隨著金納米粒粒子加入的增多，光熱轉(zhuǎn)化效率也會提升。

3.本方法的合成過程與現(xiàn)有技術(shù)相比，更加簡便、快速、節(jié)能，便于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。可以高效利用太陽能制備太陽能蒸汽用于海水淡化和污水處理以及醫(yī)療器械和環(huán)境的消毒；本發(fā)明也可作為太陽光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電材料。

附圖說明

圖1為合成過程示意圖；

圖2為本發(fā)明的原理圖（1光照；2吸收太陽光；3相變；4納米汽泡的融合）；

圖3為實施例中得到的復(fù)合材料GO-Au的SEM和TEM圖；

圖4為實施例1中得到的復(fù)合材料GO-Au 2.6‰的蒸汽壓圖；

圖5為實施例2中得到的復(fù)合材料GO-Au 7.8 ‰的蒸汽壓圖；

圖6為實施例3中得到的復(fù)合材料GO-Au 15.6 ‰的蒸汽壓圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實施案例僅用于解釋本申請，而非對本申請的限定。

將10-100mL分析純的濃硫酸和20-100mL分析純的濃磷酸混合，然后加入1-200g天然鱗片石墨，劇烈攪拌防止團聚；待分散均勻后，加入10-200g高錳酸鉀，并在在30-80℃油浴條件下磁力攪拌2-48小時，最后將產(chǎn)物倒入冰和雙氧水（30wt%）混合物中；待反應(yīng)完成后，將產(chǎn)物洗滌，超聲剝離，用氫氧化鈉絮凝并于20-80℃干燥2-10小時，研磨，得到氧化石墨烯固體粉末。

本發(fā)明氧化石墨烯基光熱復(fù)合材料的制備過程如圖1所示，首先將氧化石墨烯粉末加入去離子水中，超聲并攪拌10-50分鐘使之均勻分散，配置成一定濃度的氧化石墨烯分散液；將通過還原法制備的金溶膠加入到所得的氧化石墨烯分散液液中，室溫下磁力攪拌10-30分鐘，得到均勻分散于去離子水中的氧化石墨烯/金納米復(fù)合物。

本發(fā)明的原理如圖2所示，氧化石墨烯由于大的比表面積支撐金納米粒子，由于協(xié)同效應(yīng)增強了復(fù)合材料對太陽光的吸收，當(dāng)太陽光照（照射1），材料吸收太陽光并轉(zhuǎn)化成熱（吸收太陽光2），當(dāng)復(fù)合材料表面溫度高于100^oC時，周圍水分會汽化（相變3），形成納米氣泡，納米氣泡團聚（納米汽泡的融合4）以后形成水蒸氣。局域熱效應(yīng)，使在復(fù)合材料分散液溫度遠低于沸點時制備出了太陽能蒸汽。

實施例1

（1）氧化石墨烯分散液的配置：稱取50mg的氧化石墨烯粉末，加入到100mL二次去離子水中，磁力攪拌并伴隨超聲30分鐘，使氧化石墨烯均勻的分散在去離子水中；

（2）金溶膠的制備：0.015mol氯金酸加入到100mL水中煮沸，然后加入2mL濃度為0.015mol/mL的檸檬酸鈉，溶液顏色由淺黃色變?yōu)榫萍t色，溶液攪拌沸騰15min停止反應(yīng)，冷卻至室溫；

（3）氧化石墨烯/金復(fù)合材料的制備：將（1）得到氧化石墨烯分散液和（2）得到的金溶膠按照體積比為9:1混合，攪拌混合均勻，得到復(fù)合材料中金納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6‰。

本實施例制備的復(fù)合材料GO-Au 2.6‰其太陽能蒸汽壓圖如圖4所示。氧化石墨烯/金納米復(fù)合物分散在水中，當(dāng)太陽光照射樣品，密閉容器的蒸汽壓立即升高，并且隨著時間的增加，蒸汽壓不斷增加。在1.5min蒸汽壓可達到2.8kPa。

實施例2

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為4:1，得到復(fù)合材料中金納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.8‰。復(fù)合材料GO-Au 7.8‰，其太陽能蒸汽壓圖如圖5所示，在增加了金納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以后，密閉容器蒸汽壓升高速率相對于實施例1變大，最終在1.5min蒸汽壓可以達到2.9kPa。

實施例3

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為1:1，得到復(fù)合材料中金納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.6‰。復(fù)合材料GO-Au 15.6‰，其太陽能蒸汽壓圖如圖6所示，在復(fù)合物中金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.6‰時，復(fù)合物產(chǎn)生蒸汽速率的最終蒸汽壓相比實施例1和2都有提升，最后在1.5min密閉容器的蒸汽壓可以達到3.0kPa，這些升高的蒸汽壓都是由于氧化石墨烯/金納米復(fù)合材料在光照下產(chǎn)生了太陽能蒸汽。

實施例4

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為10:1，同樣得到如圖3所示的形貌， 圖中，a和b的SEM圖和TEM圖顯示利用步驟1合成了少層大面積的氧化石墨烯片，c圖說明具有單分散性直徑為50nm的金納米粒子利用步驟2制備出來，d圖說明成功制備了氧化石墨烯/金納米復(fù)合物。

實施例5

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為7:1，同樣得到如圖3所示的形貌。

實施例6

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為5:1，同樣得到如圖3所示的形貌。

實施例7

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，將氧化石墨烯分散液和金溶膠混合的體積比改為3:1，同樣得到如圖3所示的形貌。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切修飾或改變，仍由本發(fā)明的權(quán)利要求所覆蓋。