超效全频谱光致热转换材料、其膜片层、复合层结构及应用的制作方法

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1.本发明涉及一种光致热转换材料，尤其涉及一种宽带谱光源吸收并转换热能的材料。
2.本发明的超效全频谱光致热转换材料可以应用于污水处理范畴，且以下将以此一应用加以详加叙述说明，但本发明并不仅局限于此一应用上，任何相等、近似或等效的改变都应涵盖于本发明的技术范围内。

背景技术：

3.随着科技的进步与人类文明的发展，世界上的能源消耗量与日俱增，例如地球所蕴藏的化石能源，石油、天然气、煤等在人类的大量开采下，即将消耗殆尽，为解决能源危机，人们致力于开发永续能源，因此，俱备低污染、容易取得、不易消逝的特质的太阳能，成为未来最理想的替代能源。
4.近年来太阳能源相关产业在装置发展与技术研究方面都迅速成长，当然在太阳能转换效率上也有显着的改善与提升。此一领域最被重视的是如何达到高效率太阳能转换为有益能源的效能，各大厂商无不积极投入开发，寻如何可以提升转换效率的方法或手段，盼自家产品能展现出超乎预期的表现。随着太阳能光业者的竞争日益激烈，但碍于能量转换效率与效益值仍偏低，需要耗费长时间才可能回本，此技术的推广与普及受到阻碍。
5.另一方面，地球水资源也面临耗竭危机，气候变迁到人口增长所带来的环境污染大大加剧水资源窘境。除了节约用水的习惯外，如何将污水净化处理也是能够稍稍缓解水资源不足的其一良方，其中通过太阳能转换技术更是将可再生的绿能源与水资源再利用的完美结合想法，但如何成功且高效的将太阳能转换应用于水资源回收处理上是亟待突破的一大难题。

技术实现要素：

6.有鉴于此，为了能够解决目前水资源匮乏与太阳能源转换效率差的问题，本发明提供一种超效全频谱光致热转换材料，能高效地将全频谱光线转换为电能，可应用于海水脱盐与制盐、油田、污水与染料脱盐等领域。
7.本发明第一种发明概念是一种超效全频谱光致热转换复合材料，其包含：选自由钨氧化物、氧化钛、硫化铜或含碳材料所组成的组；以及选自由氧化铁、氮化碳或贵金属所组成的组。
8.其中，该钨氧化物包含氧化钨、钨青铜或其组合。
9.其中，该氧化钨包含三氧化钨或wo2.72或其组合，以及该钨青铜包含铷钨青铜或铯钨青铜。
10.其中，该超效全频谱光致热转换复合材料具有光催化特性。
11.本发明第二种发明概念是将上述的超效全频谱光致热转换材料以电纺制程制为电纺纤维膜。
12.其中，所使用的该塑料包含三醋酸纤维或聚偏二氟乙烯。
13.本发明最后的发明概念是将上述包含超效全频谱光致热转换材料的电纺纤维膜与一亲水纤维层层叠为层叠体。
14.其中，该亲水纤维层包含聚乙烯醇或对苯二甲酸乙二酯。
15.本发明同时也包含将上述的超效全频谱光致热转换复合层结构应用于海水淡化或污水处理的用途。
16.通过上述说明可知，本发明具有以下有益功效与优点：
17.1.经实验证实，本发明的水蒸发速率，相较既有的光电转换技术提升多倍，仅需原来污水处理时间的三分之一，加速水蒸发处理速度与增加处理量。海水脱盐与制盐生产效率大幅提升，污水处理能力证实能将重金属六价铬转换为三价铬。
18.2.本发明的原料来源低价，能够导入大量低成本的生产制造中并应用于污水处理领域，或进一步也可使用于海水脱盐或制盐范畴，改善具有再生性的绿能太阳能源转换效率，并对水资源回收再利用提供了更为有利的解决方案。
19.本发明的超效全频谱光致热材料具有吸收全光谱(uv-to-vis-to-nip)波长的光子能量能力，并在光照明下能高效将光能直接转换为热能，改善既有太阳能源转换仅限特定波长范围的低效转换效率问题。
附图说明
20.图1为本发明超效全频谱光致热转换复合层结构较佳实施例示意图与局部放大图；其中，a为较佳实施例示意图，b为局部放大图；
21.图2为本发明该复合电纺纤维层多孔纤维型态；
22.图3为本发明超效全频谱光致热转换复合层结构应用于液面处理示意图；
23.图4本发明超效全频谱光致热转换复合层结构疏水梯度结构设计较佳实施例示意图。
24.符号说明：
25.10 超效全频谱光致热转换复合层结构
26.11 复合电纺纤维层
27.111 复合电纺纤维
28.111a 超效全频谱光致热转换材料
29.111b 塑料
30.13 亲水纤维层
31.131 亲水纤维
具体实施方式
32.为能详细了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如下。
33.本发明首先提供一种超效全频谱光致热转换材料，其基本包含一紫外光红外光吸收材料，以及一可见光吸收材料，该紫外光红外光吸收材料及/或该可见光吸收材料具有吸收光源后转换为另一种能量的特性，例如热能。
34.该紫外光红外光吸收材料在本发明中主要为钨氧化物、氧化钛(tio)、硫化铜(cus)或含碳材料；该可见光吸收材料则可包含氧化铁、氮化碳、氧化钛(tio)、硫化铜(cus)、含碳材料、金或银等贵金属。该碳材料可以是石墨、石墨烯或碳管等。
35.其中，上述氧化钛(tio)、硫化铜(cus)或含碳材料可能本身已具有吸收全频谱光线的能力，可以再与其它单一光源吸收材料进行复配形成复合材料，达到更全面的全光谱吸收效能。
36.本发明较佳实施例是包含穆尔数比(mole ratios)介于1:2～5:1间该紫外光红外光吸收材料，例如钨氧化物(氧化钨(wo
x
)或钨青铜(m
x
wo3)，其中x可能为0.01～100)，以及该可见光吸收材料，例如由氧化铁(fe3o4)或氮化碳(g-c3n4)两种成分中的一种或多种所得的复合材料。其中，该氧化钨包含三氧化钨(wo3)或wo
2.72
，该钨青铜包含铷钨青铜(rb
x
wo3，其中x可能为0.01～100)或铯钨青铜(cs
x
wo3,cs
0.32
wo3其中x可能为0.01～100)。该超效全频谱光致热转换材料可以具有多种结构型态，包含奈米颗粒(nanoparticles)、奈米杆(nanorods)、奈米线(nanowires)、奈米束(nanobundles)、奈米晶(nanocrystals)或凸刺球体(urchin-like spheres)。
37.该超效全频谱光致热转换材料具有吸收全光谱(uv-to-vis-to-nip)波长的光子能量能力，并在光照明下能高效将光能直接转换为热能。另一方面，该钨化合物于本发明中包含氧化钨(wo
x
)或钨青铜(m
x
wo3)成分，其具有紫外光、红外光与强化近红外吸收能力。该钨青铜则是在氧化钨中掺杂金属元素生成的m
x
wo
x
，以增强太阳光谱中的光吸收，或强烈的局部表面等离子体共振(lspr)，间隔电荷转移(从w6
+
到w5
+
的氧化态)。通过此类钨材料与其他材料混成，形成全光频光触媒与光吸收的效能。
38.请参考图1，上述该超效全频谱光致热转换材料111a与适配的一塑料111b形成纺丝溶液，浓度介于1wt％至20wt％，更佳介于3wt％至10wt％，并以静电纺丝制程形成一复合电纺纤维111，接着层叠于由一亲水纤维131所组成的一亲水纤维层13上形成一复合电纺纤维层11，而该复合电纺纤维层11与该亲水纤维层13成为一超效全频谱光致热转换复合层结构10。
39.其中，该塑料111b较佳包含聚偏二氟乙烯(pvdf)或三醋酸纤维素(tac)，较佳是回收三醋酸纤维素(r-tac)等混合形成纺丝液体，利用静电纺丝技术生产该复合电纺纤维层11于具有亲水性的该亲水纤维层13上，该亲水纤维层13较佳是聚乙烯醇(pva)、改质亲水性聚酯或聚氨酯(pu)，其中该改质亲水性聚酯包含对苯二甲酸乙二酯(pet)纤维不织布。
40.另一方面，该超效全频谱光致热转换材料111a与适配的该塑料111b电纺该复合电纺纤维层111较佳是具有多孔隙特征的纤维型态，如图2所示，而所制得的该复合电纺纤维层11中的该塑料111b被用作聚合物基质，具有疏水透湿的效果，搭配该超效全频谱光致热转换材料111所制的层结构形成亲水材料与疏水材料层叠复配的组合。
41.值得注意的是，上述形成的电纺纤维层仅是示例性的说明可能适用的型态，但以该超效全频谱光致热转换材料111a与适配的一塑料111b除了形成静电纺丝溶液外，也可以以其它制程，例如熔喷成为多孔纤维膜片层，也可以利用发泡制程形成具有多孔的发泡膜片层，并层叠于该亲水纤维层13上成为该超效全频谱光致热转换复合层结构10。
42.请参考图3，本发明该超效全频谱光致热转换层结构10其一用途较佳为使用于驱动水蒸发的功用，其以该亲水纤维层13接触与铺设于一液面w时，该亲水纤维层13会持续吸
收水分于纤维中，再利用上层该超效全频谱光致热转换层10接触外在环境的光源，例如太阳能的全频谱光线而使光能转化为热能，该超效全频谱光致热转换层10发热使水分能够自该液面w逐渐蒸散，并通过表层的该超效全频谱光致热转换层10加速水分蒸散的效果。值得注意的是，由于本发明所提供的该超效全频谱光致热转换层结构10为亲疏水层搭配，因此以亲水层接触液面后，水分会单向地往疏水层移动并最终散出，具有水分单导向性的特性。
43.更佳地，该超效全频谱光致热转换复合层结构10所具备的单向导湿特性可以进一步地通过各层之间的亲水与疏水梯度达成。详细而言，请参考图4，在该超效全频谱光致热转换层10作为疏水层时，通过使用数层(如图4中的三层)具有不同接触角的纤维/材质达到所谓的疏水梯度的设计，同样的该亲水纤维层13使用数层(如图4中的三层)具有在材质上具有不同亲水程度或是具有不同孔隙率的设计，达到所谓的亲水与疏水梯度效果，以及更为优异的单向导湿特性。
44.本发明所提供的该超效全频谱光致热转换层结构10可为的结构工程的策略包括有：光吸收和光转换为声音工程、热局部化和热传导系数、水路设计、界面工程、仿生结构设计、3d蒸发器设计与排盐结构设计等。主要是在光吸收处的宽广频带光吸收与高效的光致热单或双组份，在介质层处的隔热性佳与高效率的水运输。
45.《实施例1》
46.(1)合成rb
x
wo
3-fe3o4奈米复合物。
47.将0.5952克的wcl6持续搅拌15分钟溶解于无水乙醇中，随后加入0.076克的rboh。接着将混合溶液在240℃加入24ml醋酸，并放入具有铁氟龙内衬的高压灭菌器中20小时，将溶液自灭菌器中取出后离心并以60℃温度烘箱干燥得到rb
x
wo3。
48.接着取0.2克的上述rb
x
wo3利用超声波分散溶解于20ml的无水乙醇中并再搅拌1小时。在此悬浮液中再加入0.5莫耳(摩尔)的fe3o4奈米颗粒乙醇溶液20ml并快速搅拌。接着将悬浮液离心并以60℃温度烘箱干燥1小时。
49.(2)制备rb
x
wo
3-fe3o4奈米复合物电纺纤维膜与光致热转换复合层结构。
50.将上述rb
x
wo
3-fe3o4奈米复合物以9:1(v/v)比例搅拌并完全溶解于5wt％的rtac中形成静电纺丝液，以电压15kv、流速0.5ml/h、针尖与收集器之间距离15cm将rb
x
wo
3-fe3o4奈米复合物与rtac塑料纺丝于pet亲水纤维不织布上得到该超效全频谱光致热转换层结构10。
51.《实施例2》
52.(1)合成wo
2.72-fe3o4奈米复合物。
53.将0.7克的wcl6持续搅拌15分钟溶解于无水乙醇70ml中直至黄溶液状。同时，另外取一容器将0.231克fe3o4粉末加入50ml无水乙醇并以超声波搅拌得到黑溶液。
54.将上述黄溶液与黑溶液混合后置入具有铁氟龙内衬的灭菌器并在烘箱中以180℃加热24小时。接着将悬浮液离心并以60℃温度烘箱干燥8小时。
55.(2)制备wo
2.72-fe3o4奈米复合物电纺纤维膜与光致热转换复合层结构。
56.将上述wo
2.72-fe3o4奈米复合物以250g比例搅拌并完全溶解于5wt％的rtac中形成静电纺丝液，以电压15kv、相对湿度50％、流速0.5ml/h、针尖与收集器之间距离15cm将wo
2.72-fe3o4奈米复合物与rtac塑料纺丝于pva亲水纤维不织布上得到该超效全频谱光致热转换层结构10。
57.《实施例3》
58.(1)合成cs
0.32-gc3n4奈米复合物。
59.将gc3n4溶解于乙醇40ml中搅拌1小时。接着，在强力搅拌下加入0.297克wcl6混合均匀。
60.在上述悬浮液中加入0.065g csoh
·
h2o并搅拌7分钟。接着加入10ml的醋酸，再将悬浮液置入具有铁氟龙内衬的灭菌器并在烘箱中以240℃加热20小时进行反应。反应完成后冷却至室温，所得的产物以乙醇清洗4次，接着在60℃烘干8小时得到cs
0.32-gc3n4奈米复合物。
61.(2)制备cs
0.32-gc3n4奈米复合物电纺纤维膜与光致热转换复合层结构。
62.将上述cs
0.32-gc3n4奈米复合物在二甲基甲酰胺溶液(dimethylformamide,dmf)中超声波震荡混合1小时，然后加入2.2克pvdf颗粒，并于120℃下加热搅拌2小时，待冷却后成为电纺液。接着将电纺液体静电纺丝于pva亲水纤维不织布上得到该超效全频谱光致热转换层结构10。
63.《确效性测试》
64.首先，针对上述三实施例的该超效全频谱光致热转换层结构10以uv-vis-nir的紫外光可见光近红外光分光光谱仪进行全频谱光能吸收测试，如以下表1。
65.表1，全频谱光吸收能力。
[0066][0067]
接着测试其热性质特性，以证具有加热蒸散水分的能力，如以下表2。
[0068]
表2，热性质特性。
[0069][0070]
本发明也对该超效全频谱光致热转换复合层结构10进行光能与水分蒸散转换效率进行测试，也就是液面界面蒸气产生的效率，如以下表3。通过将上述各实施例的复合层结构铺设于测试液面表面，结果显示本发明具有很强的界面加热功能，在光源下空气-水面的界面上明显产生热区，而界面水温随着光源照射的时间增加逐步上升，这样的热环境下有助于加热水面并通过本发明单导向膜结构进行蒸散，且本发明在太阳能照射下具有最佳的光热转换效率，在至少多个个照射循环下依然有稳定表现，具有光稳定性与耐久性，足见具有成功导入市场应用的潜力。
[0071]
表3，光热转换效能。
[0072][0073][0074]
本发明所提供的该超效全频谱光致热转换复合层结构10所具有的光热转换与单导向性特性，特别适合应用于海水淡化或脱盐处理的应用上，经过上述各实施例处理前后的海水与搜集的冷凝水中盐离子含量测试如下表4，本发明具有将海水处理为饮用水的能力(依据世界卫生组织who对于饮用水中盐离子含量的定义)，因此本发明确实具有出的脱盐能力，可以从海水中产生得饮用的水。
[0075]
表4。
[0076][0077]
另一方面，本发明所提供的该超效全频谱光致热转换复合层结构10也同时具有光催化分解重金属成分的能力，上述处理的水中同时包含污染物硝基苯酚(nitrophenol)，四环素(tetracycline)，亚甲基蓝/橙(methylene blue/orange,mb/mb)和罗丹明b(rhodamine b)污染物组合，经纯化后的冷凝水为无透明，且经测试水中的污染物含量几乎为零。这是由于本发明多孔膜具有吸附污染物的作用，且该超效全频谱光致热转换材料具有光催化转换的能力，能够将有机污染物，例如但不限于六价铬(cr(vi))转换为无毒害的三价铬(cr(iii))，并维持于单导向的膜体中不回流至水中，达到污水净化的效果。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明主张的权利范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效改变或修饰，均应包括在本发明的申请专利范围内。

技术特征：

1.一种超效全频谱光致热转换复合材料，其特征在于，其包含由以下两大组中所任意复配的复合材料：选自由钨氧化物、氧化钛、硫化铜或含碳材料所组成的组；以及选自由氧化铁、氮化碳或贵金属所组成的组。2.如权利要求1所述的超效全频谱光致热转换复合材料，其特征在于，该钨氧化物包含氧化钨、钨青铜或其组合，该含碳材料包含石墨、石墨烯或奈米碳管，该贵金属包含金或银。3.如权利要求2所述的超效全频谱光致热转换复合材料，其特征在于，该氧化钨包含三氧化钨或wo2.72或其组合，以及该钨青铜包含铷钨青铜或铯钨青铜。4.如权利要求1或2所述的超效全频谱光致热转换复合材料，其特征在于，该超效全频谱光致热转换复合材料具有光催化特性。5.一种超效全频谱光致热转换复合材料膜片层，其特征在于，其包含如权利要求1、2、3或4所述的超效全频谱光致热转换复合材料以及一塑料所得的多孔性纤维膜片层或多孔性发泡膜片层。6.如权利要求5所述的超效全频谱光致热转换复合材料膜片层，其特征在于，该塑料包含三醋酸纤维或聚偏二氟乙烯。7.一种超效全频谱光致热转换复合层结构，其特征在于，其包含相互层叠的：一超效全频谱光致热转换复合材料膜片层，其包含如权利要求1、2、3或4所述的超效全频谱光致热转换复合材料以及一塑料所得的多孔性纤维膜片层或多孔性发泡膜片层；以及一亲水纤维层。8.如权利要求7所述的光致热转换纤维层结构，其特征在于，该亲水纤维层包含聚乙烯醇、改质亲水性聚酯或聚氨酯，其中改质亲水性树脂包含对苯二甲酸乙二酯。9.如权利要求7或8所述的光致热转换纤维层结构，其特征在于，该超效全频谱光致热转换复合材料膜片层及/或亲水纤维层分别具有疏水、亲水性梯度的材料特性或结构。10.一种污水处理用、海水淡化用或脱盐处理用的超效全频谱光致热转换复合层结构，其特征在于，其包含如权利要求7或8所述的超效全频谱光致热转换复合层结构。

技术总结

本发明公开了一种超效全频谱光致热转换复合材料，其包含紫外光、红外光吸收材料以及可见光吸收材料，该红外光吸收材料及/或该可见光吸收材料具有吸收光源后转换为另一种能量的特性，例如热能；该复合材料与塑料形成多孔性纤维膜或多孔发泡层，复合搭配亲水性纤维层成为具有高光热转换效率、单导向以及光催化效能的复合层结构；本发明的超效全频谱光致热材料具有吸收全光谱(UV-to-vis-to-NIP)波长的能力，并在光源下，特别是太阳光下能高效将光能直接转换为热能，改善既有能源转换仅限特定波长范围的低效转换效率问题。定波长范围的低效转换效率问题。定波长范围的低效转换效率问题。