一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器及其制备方法和应用

本发明涉及太阳能水蒸发领域，具体涉及一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、蒸发器是实现太阳能的高效光热转换并将热量传递给液体，加速蒸汽产生，用于海水淡化等领域的重要器件。金属基蒸发器由于其高导热性、较好的热稳定性和力学性能而备受人们关注，然而受限于有限的带隙宽度，无法进一步提高光吸收能力，导致金属基蒸发器的光热转换效率较低。表面阵列结构能够形成多级光反射，增大光吸收，然而现有金属基蒸发器表面结构均处于无序状态，不具有方向性，无法有效地捕获入射光。因此，亟待开发一种制备工艺简便、高度有序、具有垂直排列特征的金属基蒸发器表面涂层。

2、在现有技术中，在“solar-driven thermal-wind synergistic effect onlaser-textured superhydrophilic copper foam architectures for ultrahighefficient vapor generation”一文中，使用激光烧结法在泡沫铜表面得到了粗糙的氧化铜纳米颗粒形貌，但速率仅能达到1.6kg m-2h-1；同样的，在“fabrication of high-performance graphene oxide/cuo/cu2o film-coated copper foam for interfacialsolar-driven water evaporation”一文中，使用化学浸泡氧化的方法在泡沫铜表面得到了纳米层片结构，但速率仅能达到1.539kg m-2h-1；在“nanostructured cuo directlygrown on copper foam and their supercapacitance performance”一文中，虽然该文中使用了电化学阳极氧化在泡沫铜表面得到了多种纳米结构，比如纳米颗粒，纳米片，无序的纳米线，纳米花等等，但是并没有得到高度均匀的纳米棒阵列。

3、因此，在现有技术中，无法在泡沫铜表面制备高度有序的纳米阵列，化学氧化缺乏电场线的约束无法形成垂直结构，而电化学阳极氧化能够产生的形貌种类繁多，因此，精细地调整阳极氧化参数以构筑高度有序的纳米阵列是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、基于上述现有技术中存在的问题，本发明设计开发了一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器，本发明的发明目的是通过制备出高度有序的垂直排列氧化铜纳米棒阵列解决金属基蒸发器光吸收能力弱、流程复杂以及循环稳定性差的技术问题。

2、本发明设计开发了一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的制备方法，本发明的发明目的是提供制备流程简单、可操作性强的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的方法。

3、本发明提供的技术方案为：

4、一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的制备方法，包括：将多孔金属在电解液中进行阳极氧化后，进行热处理得到所述基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器；

5、其中，所述阳极氧化的电压为0.5v～10v，温度为15℃～50℃，时间为10min～120min；以及

6、所述热处理的温度为180℃～300℃，时间为30min～120min。

7、优选的是，所述多孔金属基蒸发器的表面具有均匀全覆盖的垂直排列氧化铜纳米棒阵列涂层；

8、其中，所述涂层的厚度为1μm～50μm，顶部为多边形，其对角线长度为50nm～300nm。

9、优选的是，所述多孔金属的内部开设有相互连通的孔洞；以及

10、所述多孔金属的上表面、下表面及侧面均设有通孔，其与所述孔洞相连通；

11、其中，所述通孔的横截面积为1cm2～100cm2，平均孔径为30μm～270μm，厚度为0.1mm～25mm。

12、优选的是，所述电解液的溶质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯或氢氧化钫中的一种或多种；以及

13、所述电解液的浓度为0.1mol·l-1～10mol·l-1。

14、优选的是，在所述电解液中，所述阳极氧化的电压为0.5v～10v，温度为15℃～50℃，时间为60min～90min；

15、在所述电解液中，所述阳极氧化的电压为1v～5v，温度为15℃～40℃，时间为20min～60min；

16、在所述电解液中，所述阳极氧化的电压为1v～3v，温度为15℃～25℃，时间为30min～90min；

17、所述热处理的温度为200℃～250℃，时间为30min～120min；

18、所述热处理的温度为150℃～250℃，时间为40min～100min；

19、所述热处理的温度为180℃～300℃，时间为20min～80min；

20、所述热处理的温度为190℃～210℃，时间为40min～80min；

21、所述热处理的温度为180℃～250℃，时间为30min～90min；

22、所述电解液的浓度为1mol·l-1～5mol·l-1；

23、所述电解液的浓度为0.5mol·l-1～3mol·l-1；

24、所述电解液的浓度为1mol·l-1～3mol·l-1；或者

25、所述电解液的浓度为5mol·l-1～8mol·l-1。

26、优选的是，所述阳极氧化的电流密度依次经过第一阶段和第二阶段后，达到第三阶段；

27、所述第一阶段的电流密度为从50ma·cm-2～200ma·cm-2降至10ma·cm-2～50ma·cm-2，所述第一阶段的持续时间为1min～10min；

28、所述第二阶段的电流密度保持在10ma·cm-2～50ma·cm-2，所述第二阶段的持续时间为10min～120min；

29、所述第三阶段的电流密度保持在1ma·cm-2～10ma·cm-2。

30、优选的是，在所述阳极氧化之前还包括预处理，包括：对所述多孔金属进行除油后酸洗，再经过去离子水和醇溶液清洗并做烘干处理；以及

31、在所述阳极氧化之后还包括后处理，包括：将所述多孔金属在去离子水和无水乙醇中依次清洗后进行烘干处理。

32、优选的是，在进行热处理的过程中，包括：

33、以2℃·min-1～8℃·min-1的升温速率至150℃～250℃，保温40min～100min，然后随炉冷却50℃以下；

34、以3℃·min-1～7℃·min-1的升温速率至180℃～300℃，保温20min～80min，然后随炉冷却30℃以下；

35、以4℃·min-1～6℃·min-1的升温速率至190℃～210℃，保温40min～80min，然后随炉冷却25℃以下；或者

36、以5℃·min-1～8℃·min-1的升温速率至180℃～250℃，保温30min～90min，然后随炉冷却50℃以下。

37、一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器，将多孔金属在电解液中进行阳极氧化后，进行热处理得到所述基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器；

38、其中，所述多孔金属基蒸发器的表面具有均匀全覆盖的垂直排列氧化铜纳米棒阵列涂层；以及

39、所述涂层的厚度为1μm～50μm，顶部为多边形，其对角线长度为50nm～300nm。

40、一种基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器在太阳能驱动光热水蒸发上的应用，使用所述的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器。

41、本发明所述的有益效果：

42、1、本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的制备方法，通过阳极氧化法在多孔金属铜及其合金微通道表面，制备了氢氧化铜纳米阵列，随后热处理转化为氧化铜，氧化铜是一种窄带隙半导体，可实现太阳光谱的宽带吸收，具有优异的光热转换效率；

43、2、本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的制备方法，实现了在多孔金属铜或铜合金表面与微通道内原位生长出高度有序的垂直排列氧化铜纳米棒阵列，可实现多级光反射，增大光吸收，进一步提高光热转换效率，突破了带隙宽度对光吸收的限制；

44、3、本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器的制备方法，可通过阳极氧化参数调控，可实现均匀且厚度可调的涂层覆盖，通过将阳极氧化电压控制为0.5v～10v，温度为15℃～50℃，时间为10min～120min，实现了在室温下纳米阵列涂层结构的制备，由于是有限时间内的一步制备，且电解液是碱金属的氢氧化物，实现了低成本、简易且绿色高效的生产过程；

45、4、由于氧化铜具有高稳定性，本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器热稳定性相对于现有技术提高；

46、5、本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器可实现在多孔金属铜或铜合金表面和微通道内均匀覆盖氧化铜纳米棒阵列，在多孔金属铜或铜合金表面及微通道内至少具有一层均匀全覆盖的垂直排列氧化铜纳米棒阵列涂层，涂层的厚度为1μm～50μm，顶部为多边形，其对角线长度为50nm～300nm，从而实现了由原始疏水到超亲水性的转变，在毛细力的作用下，使得其本身拥有足够的吸水能力；

47、6、本发明提供的基于阵列涂层的多孔金属基蒸发器兼具光热转换能力和亲水性，实现了一体化、高效化和可持续化的蒸发器的应用。