CN116585909A

CN116585909A - 一种铁基光热转换膜及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN116585909A
Application number: CN202310864575.7A
Authority: CN
Inventors: 韩凯; 周川玲; 黄李茗铭; 宁俊淇; 马鑫
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2023-07-14
Filing date: 2023-07-14
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2043-07-14
Also published as: CN116585909B

Abstract

本发明公开了一种铁基光热转换膜及其制备方法和应用，属于光热转换技术领域。本发明提供的铁基光热转换膜，包括：基底，所述基底为亲水膜；光热转换材料，所述光热转换材料负载于所述基底表面，所述光热转换材料包括铁基纳米线；所述铁基纳米线的制备方法包括以下步骤：D1.将次氮基三乙酸与亚铁盐的混合物进行溶剂热反应；D2.将步骤D1所得固体反应产物进行热处理。本发明提出的铁基光热转换膜，由于各组件材质的选择，能够具有低成本、环境友好、高吸光率以及高光热转换效率的优点。本发明还提供了上述铁基光热转换膜的制备方法和应用。

Description

一种铁基光热转换膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光热转换技术领域，具体涉及一种铁基光热转换膜及其制备方法和应用。

背景技术

在化工、医药、生物等行业快速发展的大背景下，水作为原料、清洗剂和反应介质需求量与日俱增。水资源的纯化技术和回收技术受到了极大的重视。现阶段已经成熟的水处理技术有很多种，如生物处理法，物理吸附法、离子交换树脂以及反渗透技术，但是上述回收方法有着设备投资较大，能量消耗较大，回收成本高，回收流程长等缺点。

为了克服上述缺点，研究人员提出了采用膜分离技术对水中的不同组分进行分离。膜分离技术是一种新兴的技术，具有低能耗、设备简单、操作方便、分离高效等优点。目前，多种体系的分离都在尝试使用膜分离代替传统的精馏，吸附，过滤等方法，如油水分离，气体分离，醇水分离，水处理，海水淡化等。膜分离技术的基本原理是在膜的渗透作用下，利用膜两侧的化学电位差或能量差作为分离过程的传质驱动力，将混合的气相或液相分离提纯浓缩膜。膜分离在很大程度上降低了设备费用的投资。同时与传统萃取，吸收-解吸等技术相比，因为不引入第三组分，也使得分离更加容易，同时也降低了对环境的污染。因此，膜分离技术在分离工程中的应用日渐广泛。但是膜分离的实现也需要一定的能耗，对能量需求较大且对膜的要求较为苛刻，很多膜组件的制备成本昂贵。

基于此，寻求更节能、更高效的水资源纯化回收方法来去除水中的染料、金属离子等杂质是一个重要的课题。

在所有的可再生能源中，太阳能被认为是最有希望满足人类能源需求的选择。太阳能界面蒸发水处理是一种利用太阳能实现光热转换过程的可靠、环保、成本低廉的技术。界面蒸发***以其光热转换、热管理、输水逸汽、***装置的高度集成以及精细设计的特点，借助微结构光子学、热结构设计、材料改性加工、机械设计等技术，可以更高效、快速地从块状水体中甚至大气中吸取水分并通过太阳能转换的热能产生蒸汽。由于与水体接触面积小，且水蒸发过程只发生在水-气界面，可最大程度避免热量加热水体，减少热损失，大大提高了能量利用效率。

综合传统膜分离和太阳能界面蒸发的优势，光热转换膜材料的研究成为一个趋势。

为了得到更高水蒸发速率从而更有效提高界面蒸发水处理技术的工作效率，需要开发能够在太阳波谱范围内实现宽频且高效光吸收的光热转换膜。其中金属基材料因其等离激元效应与入射光子间的相互作用，产生增强的近电场，形成亚波长尺度的局域热点，使得金属纳米结构可以获得较强的光吸收性能。因此，金属基光热转换材料目前成为了一大研究热点。

相关报道中公开的，可用于界面蒸发水处理技术的金属材料包括金纳米颗粒、金-二氧化硅复合微纳颗粒、金-石墨烯复合微纳颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、MOF-Ag纳米片等。但是目前验证可行的金属基材料普遍具有价格昂贵，制备流程复杂，蒸发速率低等缺点。

为克服上述问题，有技术尝试将普通过渡金属材料用于截面蒸发水处理技术中。例如有技术公开了一种锰氧化物—生物炭复合材料，但是该复合材料的制备流程过长，成本较高；还有技术公开了一种磁性纳米粒子涂层的木基复合材料及其制备方法，该发明其制备方法简单，但是水蒸发速率和光热转换效率都较低。

综上，仍需开发制备简易、低成本且环境友好的金属基光热转换膜，同时还需具备高吸光率、高蒸发速率和高光热转换效率的优势。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种铁基光热转换膜，具有低成本、对环境友好、高吸光率、高蒸发速率以及高光热转换效率的优点。

本发明还提出一种上述铁基光热转换膜的制备方法。

本发明还提出一种具有上述铁基光热转换膜的光热转换器。

本发明还提出一种上述光热转换器在水处理和溶剂纯化中的应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种铁基光热转换膜，所述铁基光热转换膜包括：

基底，所述基底为亲水膜；

光热转换材料，所述光热转换材料设于所述基底表面，所述光热转换材料包括铁基纳米线；

所述铁基纳米线的制备方法包括以下步骤：

D1.将次氮基三乙酸与亚铁盐的混合物进行溶剂热反应；

D2.将步骤D1所得固体反应产物进行热处理。

根据本发明的一种优选实施方式的铁基光热转换膜，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的铁基光热转换膜中，采用的光热转换材料为铁基纳米线，相较于Au、Ag、Cu等贵金属纳米颗粒，原料成本较低。和易分解的有机光热转换材料相比，本发明采用的光热转换材料具有较高的稳定性和环境友好性。

(2)本发明采用纳米线状的光热转换材料，其相互堆积可构建出孔隙结构，既能有效增强光在铁基光热转换膜内部的折射与反射，又能为产生的水蒸气（或其他溶剂蒸汽）逸散留出空间，增强了该铁基光热转换膜的蒸发速率与效率。

（3）本发明的铁基纳米线制备条件简单，将有机金属络合产物于特定气氛下热处理即可得到相应的铁基纳米线。由此可以有效降低所述铁基光热转换膜的制备过程和制备成本。

(4)本发明提供的铁基光热转换膜在280~2500nm范围内获得≥95%（高达95.72%）的吸光率，超过了市面上技术成熟的商业材料，且成本较低。

在本发明的一些实施方式中，所述亲水膜的材质包括玻璃纤维、有机尼龙或PTFE（聚四氟乙烯）中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述亲水膜的材质包括玻璃纤维。由此，亲水膜也由纳米纤维堆积、交织而成，和纳米线状的铁基纳米线结合，可进一步增强光在铁基光热转换膜内部的折射与反射，又能为产生的水蒸气逸散留出空间，增强了该铁基光热转换膜的蒸发速率与效率。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基纳米线的长度为4~150μm。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基纳米线的长度为10~20μm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述铁基纳米线的直径为40~500nm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述铁基纳米线的直径为200~300nm。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基纳米线的材质包括氧化铁和铁-碳纳复合材料中的至少一种。其中，所述铁基纳米线的具体材质组成和其制备方法相关。

在本发明的一些实施方式中，所述铁-碳复合材料中铁的含量为30~90wt%。

在模拟太阳光照时，铁-碳复合材料中，由于铁单质和碳的协同作用，表面会同时发生金属等离激元效应和碳材料热振动作用，二者均可提升材料对光的吸收。结合其纳米线状的结构，材质为铁-碳复合材料的铁基纳米线具有极强的吸光性能。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基纳米线的制备方法包括以下步骤：

D1.将次氮基三乙酸与亚铁盐的混合物进行溶剂热反应；

D2.将步骤D1所得固体反应产物进行热处理。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述溶剂热反应采用的溶剂包括水和异丙醇。

在本发明的一些实施方式中，所述溶剂热反应采用的溶剂中，所述异丙醇的体积浓度为10~90%。

在本发明的一些实施例方式中，所述溶剂中，所述异丙醇的体积浓度为11~15%。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述亚铁盐包括氯化亚铁、硫酸亚铁及其水合物中的至少一种。本发明采用亚铁盐可以和次氮基三乙酸络合，进而形成线状的固体产物；所述铁基纳米线继承了此处固体产物的形貌。

在本发明的一些实施例中，步骤D1中，所述次氮基三乙酸与亚铁盐的摩尔比为1:2~4。例如具体可以是1:2.5~3。

在本发明的一些实施例中，步骤D1中，所述亚铁盐的摩尔浓度为0.05~0.2mol/L。例如具体可以是0.1~0.15mol/L。

在本发明的一些实施例中，步骤D1中，所述溶剂热反应所用混合物的配制方法包括将所述亚铁盐、次氮基三乙酸和溶剂混合。其中，所述混合的方法包括搅拌。所述混合的时长为0.5~1.5h。例如具体可以是约1h。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述溶剂热反应的温度为100~200℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述溶剂热反应的温度为150~190℃。例如具体可以是约180℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述溶剂热反应的时长为0.5~36h。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述溶剂热反应的时长为20~25h。例如具体可以是约24h。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，还包括在所述溶剂热反应后，对所得固体产物进行清洗和干燥。具体的，所述清洗包括乙醇洗。由此可避免残余的铁离子水解生成铁氢氧化物。所述清洗的次数为1~3次。进一步的，所述干燥包括鼓风干燥和真空干燥中的至少一种。所述干燥的温度为60~100℃；例如具体可以是约80℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤D2中，所述热处理的气氛包括保护气体和氧气中的至少一种。当所述气氛中包括氧气时，所述铁基纳米线中包括氧化铁；如果所述气氛中仅包括所述保护气体，则所述铁基纳米线的主要成分包括所述铁-碳复合材料，此时，在所述热处理过程中，次氮基三乙酸作为配体被碳化，形成热解碳，该热解碳还兼具还原作用，由此可极大程度保证铁以单质形式存在。

在本发明的一些实施方式中，步骤D2中，所述热处理所用仪器中包括流动状态的气氛，或者所述仪器为密封状态，其中封有所述热处理所用气氛。此处手段不进行限定，只要满足特定气氛即可，进一步的，气氛的流速也可以根据所用仪器和生产量进行调整。

在本发明的一些实施方式中，步骤D2中，所述热处理的温度为500~800℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述热处理的温度为550~650℃。例如具体可以是约600℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤D2中，所述热处理的时间为2~4h。例如具体可以是约3h。

在本发明的一些实施方式中，步骤D2中，所述热处理的升温速度为3~10℃/min。例如具体可以是约5℃/min。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基纳米线的制备方法还包括在所述热处理后研磨得到固体。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基光热转换膜还包括粘结剂。所述粘结剂覆于所述基底表面，用于提升所述铁基纳米线之间，以及所述铁基纳米线和所述基底之间的附着强度。由于引入了所述粘结剂，所述铁基光热转换膜具有良好的耐磨性能，也可以增强材料的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠（CMC）和聚偏氟乙烯（PVDF）中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基光热转换膜中，所述铁基纳米线的负载量为0.5~1.5mg/cm²。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基光热转换膜中，所述铁基纳米线的负载量为0.7~1.3mg/cm²。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基光热转换膜中，所述铁基纳米线的负载量为0.9~1.1mg/cm²。

在本发明的一些实施方式中，所述粘结剂和所述铁基纳米线的质量比为1~30:100。例如具体可以是3~8:100。进一步具体的可以是约1:20。

根据本发明的再一个方面，提出了一种所述铁基光热转换膜的制备方法，所述制备方法包括将包含所述铁基纳米线的浆料涂覆于所述基底表面并干燥。

根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：

本发明提供的制备方法操作简易、能耗低和易于大规模制备。

在本发明的一些实施方式中，所述浆料还包括粘结剂和溶剂。

在本发明的一些实施方式中，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠（CMC）和聚偏氟乙烯（PVDF）中的至少一种。所述粘结剂可以使所述铁基纳米线紧密粘附在所述基底表面，提高所述铁基光热转换膜机械稳定性。

在本发明的一些实施方式中，所述溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮和乙醇中的一种。

在本发明的一些实施方式中，所述浆料中，所述铁基纳米线的浓度为0.1~10g/L。例如具体可以是0.2~0.3g/L。

在本发明的一些实施方式中，所述浆料的配制方法为将所述铁基纳米线、粘结剂和溶剂混合。

在本发明的一些实施方式中，所述浆料的配置方法包括将所述铁基纳米线、粘结剂和部分溶剂混合后，以剩余溶剂稀释所得混合物。由此可实现所述浆料中所述铁基纳米线的精确定量（浓度较高，铁基纳米线的质量称量误差小），并实现所述铁基纳米线在所述基底上的均匀负载（浆料的体积大，负载均匀）。

在本发明的一些实施方式中，所述涂覆的方法为抽滤、刮涂、喷涂和旋涂中的至少一种。

根据本发明的再一个方面，提出了一种光热转换器，所述光热转换器包括所述的铁基光热转换膜。

由于所述光热转换器采用了所述铁基光热转换膜，因此具有所述铁基光热转换膜的所有优点。

在本发明的一些实施方式中，所述光热转换器的结构包括：

铁基光热转换膜；

液体传输通道，所述液体传输通道一端与所述的铁基光热转换膜连接，一端浸没在待处理液体中；

绝热层，所述绝热层位于所述待处理液体的上液面和所述铁基光热转换膜之间，所述绝缘层上设有通孔；所述液体运输通道穿过所述通孔。

由此，所述液体传输通道可将待处理液体传输至所述铁基光热转换膜中，进行蒸发；且所述绝热层可避免所述铁基光热转换膜中产生的热量损失，提升对液体的蒸发能力。

在本发明的一些实施方式中，所述液体运输通道材质为棉。

在本发明的一些实施方式中，所述绝热层的材质为海绵泡沫。

在本发明的一些实施方式中，所述绝热层与所述铁基光热转换膜不接触。由此可以增加隔热性能。

在本发明的一些实施方式中，所述铁基光热转换膜的几何中心，落在所述铁基光热转换膜与所述液体运输通道的接触范围内。

本发明提供的光热转换器，利用局域加热原理，减少了待处理液体（例如可以是水或有机溶剂）与所述铁基光热转换膜(光吸收层)的直接接触，相较于传统整体加热方式可以有效减少热量损失，实现更高效的光热转换水蒸发效率。

根据本发明的再一个方面，提出了一种所述光热转换器在水处理和溶剂纯化中的应用。

在本发明的一些实施方式中，所述在水处理中的应用，包括在界面蒸发水处理中的应用。

在本发明的一些实施方式中，所述在水处理中的应用，应用范围包括海水、工业废水、生活废水和医疗废水中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述在水处理中的应用，应用范围包括重金属离子废水、有机染料废水和高浓度盐水中的至少一种。应用过程中，杂质去除率较高，应用前景广阔。

在本发明的一些实施方式中，所述在水处理中的应用，包括以太阳光光源照射所述光热转换器。具体是照射所述铁基光热转换膜。

若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2%的范围内，例如约100实际是100±2%×100。

若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例9~16所得光热转换器的示意图。

图2为本发明实施例1所得铁基纳米线的SEM图。

图3为本发明实施例9所得铁基纳米线的SEM图。

图4为本发明实施例9~13所得光热转换器对纯水的蒸发速率。

图5为本发明实施例1、实施例6~7所得铁基纳米线粉末的XRD图。

图6为本发明实施例8所得的铁基纳米线的XRD图。

图7为本发明实施例1、实施例8和对比例2~3所得的光热转换膜在润湿状态的吸收光谱图。

图8为本发明实施例9、实施例16和对比例4~5的光热转换器中光热转换膜在1个太阳光强1kW/m²光照下1h蒸发过程中表面温度变化图。

图9为本发明实施例9、实施例16和对比例4~5的光热转换器在1kW/m²光照下用于太阳能界面蒸发水处理时水体失重曲线。

图10为本发明实施例9所得光热转换器进行水处理时，在1kW/m²光照下对于含亚甲基蓝有机染料废水纯化性能图。

图11为本发明实施例9所得光热转换器在处理实际含重金属例子工业废水中，在1kW/m²光照下对重金属离子的去除性能图。

附图标记：

待处理液体100、液体传输通道200、绝热层300、铁基光热转换膜400、光源500。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例制备了一种铁基光热转换膜，具体过程为：

A1.称取0.6000g次氮基三乙酸（CAS：139-13-9）、1.2493g四水合氯化亚铁、量取52.5mL去离子水以及7.5mL异丙醇加入聚四氟乙烯水热釜内衬中，400rpm转速下磁力搅拌1h后加装不锈钢水热釜，于180℃烘箱中反应24h；

A2.待水热釜自然降温至室温，将反应产物转移至烧杯中，超声分散0.5h，再用500mL乙醇漂洗后抽滤，另外重复两次；最后将得到的产物于70℃烘箱中烘干；

A3.所得产物用通入氩气的管式炉进行热处理，通入氩气气速控制为200mL/min，升温速率为5℃/min，保温温度与时间为600℃/2h，待温度降至室温后取出，得到纳米线状的铁-碳复合材料(记为Fe/C)；

A4.将60mg铁-碳复合材料，3mg聚偏氟乙烯（PVDF）加入到30mL N-甲基吡咯烷酮中，室温下搅拌1h，制得一级浆料；

A5.将一级浆料使用300mL乙醇分散，得二级浆料；将二级浆料通过真空抽滤的方式负载在玻璃纤维膜表面后，在烘箱中烘干，得到铁基光热转换膜。

通过调整玻璃纤维膜面积和二级浆料用量之间的比例，可调整铁基光热转换膜中铁基纳米线的负载量，本例负载量为1.0mg/cm²。

实施例2~5分别制备了一种铁基光热转换膜，具体过程与实施例1的区别为：

所得铁基光热转换膜中，铁基纳米线的负载量不同，具体的：

实施例2的负载量为0.6mg/cm²、实施例3的负载量为0.8mg/cm²、实施例4的负载量为1.2mg/cm²，实施例5的负载量为1.4mg/cm²。

实施例6~7分别制备了一种铁基光热转换膜，具体过程与实施例1的区别为：

步骤A3中，保温温度不同，具体的：

实施例6的保温温度为500℃，实施例7的保温温度为700℃。

实施例8

本实施例制备了一种铁基光热转换膜，具体过程与实施例1的区别为：

步骤A3中，所得产物用马弗炉（无氩气保护，空气气氛）进行500℃热处理2h后，得到纳米线状的氧化铁(记为Fe₂O₃)。

实施例9

本实施例提供了一种光热转换器，如图1所示，具体组件及连接关系如下：

铁基光热转换膜400，本例所用铁基光热转换膜400来自实施例1(也称光热吸收层)；使用时，铁基光热转换膜400朝向光源500；

液体传输通道200，液体传输通道200的材质为棉，其一端与铁基光热转换膜400接触，另一端浸入烧杯中的待处理液体100中；

绝热层300，绝热层300的材质为三聚氰胺泡沫，其放置于烧杯上，与铁基光热转换膜400平行，位于待处理液体100上液面和铁基光热转换膜400之间，被液体传输通道200穿过。

实施例10~16分别提供了一种光热转换器，具体与实施例9的区别为：

实施例10~16所用铁基光热转换膜400来自实施例2~8。

对比例1

本对比例了一种光热转换膜，具体和实施例9的区别为：

将实施例9中的铁基光热转换膜400替换为空白玻璃纤维膜，其中空白玻璃纤维膜和实施例1步骤A5所用玻璃纤维膜一样。

对比例2暂时没有尝试过其他如乙醇、正丙醇等溶剂。

本对比例提供了一种光热转换膜，具体过程与实施例1的区别为：

（1）不包括步骤A1~A3；

（2）步骤A4中，将Fe/C替换为等质量的Super-P商用碳黑(记为Super-P)。

对比例3

本对比例制备了一种光热转换膜，具体过程与实施例1的区别为：

步骤A3和步骤A4之间增设以下步骤：

采用2mol/L盐酸对步骤A3所得Fe/C纳米线进行24h刻蚀，记为Fe/C-Etch。

且后续步骤中，以Fe/C-Etch替换等质量的Fe/C。

对比例4

提供了一种光热转换器，具体与实施例9的区别为：

将铁基光热转换膜400替换为对比例2所得光热转换膜。

对比例5

提供了一种光热转换器，具体与实施例9的区别为：

将铁基光热转换膜400替换为对比例3所得光热转换膜。

试验例

本试验例第一方面测试了实施例1和实施例9所得铁基纳米线的形貌，测试方法为扫描电子显微镜（SEM）。结果显示实施例1所得铁碳纳米线长度较长，在4~20μm之间，且呈簇状紧密排列；实施例9所得Fe₂O₃长度在10μm以下；实施例1和实施例9所得铁基纳米线的直径范围为200~500nm。因此，和实施例1所得铁基纳米线相比，实施例9所得铁基纳米线的线状结构明显程度下降，长径比下降。具体结果如图2~3所示。

本试验例第二方面测试了实施例9~13所得光热转换器中的水蒸发速率（待处理液体为纯水）。结果显示，根据实施例1~5方法所得的铁基光热转换膜中，当铁基纳米线的负载量为1.0mg/cm²时，纯水蒸发速率最高，为2.6kg/m²h，原因为过大的膜负载量会堵塞膜孔道，影响水气的传输，进而影响蒸发速率。具体测试结果如图4所示。

本试验例第三方面测试了实施例1、实施例6~8所得铁基纳米线的组分。XRD测试的结果显示：在600℃的烧结温度下，铁-碳复合材料的结晶度最好。测试结果如图5所示；HR-TEM测试显示，铁-碳复合材料中显示出了铁单质的特征晶格条纹，由此进一步确认了铁-碳复合材料中，铁以结晶单质的形式存在。EDS测试显示铁-碳复合材料中，还包括大量的碳。由此可确认，当步骤A3所得气氛为惰性气体时，所得铁基纳米线是由铁单质和碳单质组成的纳米线状复合材料。实施例8所得铁基纳米线的XRD图谱和氧化铁的标准图谱匹配良好。测试结果如图6所示。

本试验例第四方面测试了实施例1、实施例8和对比例2~3所得四种光热转换膜在湿润条件下的吸收光谱图。测试结果显示，实施例1、实施例8和对比例2~3制备的光热转换膜在280~2500nm光谱范围内的吸光率分别为95.72%、73.95%、91.44%和94.15%。结果说明本发明实施例1以纳米线状的铁-碳复合材料作为吸光材料制备的光热转换膜在金属等离激元效应以及碳材料热振动效应的协同作用下，吸光能力高达95%以上，优于以半导体非辐射弛豫效应为光热转换机理的实施例8，优于以单纯碳材料热振动效应为光热转换机理的对比例2和对比例3。在本发明提供的实施例1中，铁金属单质和碳发生了协同作用，提升了吸光率。具体测试结果如图7所示。

本试验例第五方面测试了实施例9、实施例16和对比例4~5所得光热转换器，用于太阳能界面蒸发纯水时，在1h内光热转换膜的温度变化；具体过程为：调整模拟光源的氙灯使得到达光热转换膜表面的光照强度为1kW/m²，然后使用红外枪分别测试光照0min、2min、10min、30min和60min时膜表面的温度。四种光热转换膜都可以在蒸发开始2min时间内快速升温，达到60min时，实施例1的Fe/C膜在蒸发过程中膜表面温度最高，为48.2℃，实施例8（Fe₂O₃)、对比例4（Super-P）和对比例5（Fe/C-Etch）中，光热转换膜分别为41.3℃、46.3℃和44.5℃，均低于Fe/C膜，这也解释了Fe/C材料的纯水蒸发速率最快的原因。由于Fe/C-Etch膜刻蚀掉了大部分Fe金属单质，蒸发时膜表面的温度低于Fe/C膜，这也从侧面说明了金属Fe的等离激元效应可快速实现光热转换过程，使蒸发界面获得更高的蒸发温度，实现蒸发速率的提升。测试结果如图8所示。

参考本试验例第五方面的测试手段，统计了不同时间点待处理水的重量，拟合了1kW/m²光照下水的失重变化曲线。结果显示，纯水(对照组，不放置光热转换器)、实施例9、实施例16和对比例4~5所制备的光热转换器的纯水蒸发速率(利用蒸发曲线的斜率换算得到)分别为0.39 kg/m²h(对照)、2.60 kg/m²h、1.69 kg/m²h、2.24kg/m²h和2.15 kg/m²h；计算其光热转换水蒸发效率分别为25.02%(对照)、95.65%、64.2%、84.59%和79.68%；相较于纯水蒸发而言，本发明提出的包含铁基光热转换膜的光热转换器用于太阳能界面蒸发水处理时，实施例9、实施例16和对比例4~5分别使水蒸发速率提升到纯水蒸发的6.7、4.3、5.7和5.5倍；由此说明，实施例1中铁、碳两者共同作用可以使铁基光热转换膜的光热转换性能更加突出。具体测试结果如图9所示。

本例还测试了实施例9所得光热转换器对含亚甲基蓝有机染料废水的纯化性能，具体是限定待处理液体为含亚甲基蓝的有机染料废水（浓度为40mg/L），铁基光热转换膜接受1kW/m²的氙灯光照。结果显示，含亚甲基蓝的有机染料废水处理后，所得液体的吸光度几乎为0，体现出极为出色的有机染料去除效果。具体测试结果如图10所示。

本例还测试了实施例9所得光热转换器在处理含重金属离子工业废水中的性能，测试过程中，铁基光热转换膜接受1kW/m²的氙灯光照。结果显示，处理后的废水中，Al³⁺、Ca² ⁺、Co³⁺、Mg²⁺、Mn²⁺和Na⁺的去除率分别达到99.97%、99.61%、99.70%、98.37%、99.99%和86.07%，表现了优异的重金属离子去除性能。具体测试结果如图11所示。

综上，本发明提供的铁基光热转换膜由于光热转换材料材质和结构的特殊设计，显著提升了其对光的吸收性能，以及对水等溶剂的蒸发性能，当铁基纳米线的材质为铁-碳复合材料时，性能更优。进一步的，本发明提供的光热转换器由于采用了上述铁基光热转换膜，因此在水处理和溶剂纯化中具有广阔的应用前景。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种铁基光热转换膜，其特征在于，所述铁基光热转换膜包括：

基底，所述基底为亲水膜；

光热转换材料，所述光热转换材料负载于所述基底表面，所述光热转换材料包括铁基纳米线；

所述铁基纳米线的制备方法包括以下步骤：

D1.将次氮基三乙酸与亚铁盐的混合物进行溶剂热反应；

D2.将步骤D1所得固体反应产物进行热处理。

2.根据权利要求1所述的铁基光热转换膜，其特征在于，所述铁基纳米线的材质包括氧化铁和铁-碳复合材料中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的铁基光热转换膜，其特征在于，所述铁基纳米线的长度为4~150μm；和/或，所述铁基纳米线的直径为40~500nm。

4.根据权利要求1所述的铁基光热转换膜，其特征在于，步骤D2中，所述热处理的气氛包括保护气体和氧气中的至少一种；和/或，步骤D2中，所述热处理的温度为500~800℃。

5.根据权利要求1所述的铁基光热转换膜，其特征在于，步骤D1中，所述溶剂热反应采用的溶剂包括水和异丙醇；和/或，所述溶剂中，所述异丙醇的体积浓度为11~15%。

6.根据权利要求1所述的铁基光热转换膜，其特征在于，步骤D1中，所述溶剂热反应的温度为100~200℃。

7.一种如权利要求1~6任一项所述的铁基光热转换膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括将包含所述铁基纳米线的浆料涂覆于所述基底表面并干燥。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述浆料还包括粘结剂和溶剂；和/或，所述涂覆的方法为抽滤、刮涂、喷涂和旋涂中的至少一种。

9.一种光热转换器，其特征在于，所述光热转换器包括如权利要求1~6任一项所述的铁基光热转换膜。

10.一种如权利要求9所述的光热转换器在水处理和溶剂纯化中的应用。