CN104342089B - 一种太阳能燃料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能燃料。碳纳米管与石墨烯组成弹性气凝胶中，在碳纳米管壁上接枝有光致异构体（如偶氮苯或含有偶氮苯基团的化合物、螺吡喃化合物、二芳基乙烯类化合物等），其目的在于提供一种新型的利用太阳能的方式，克服现有的利用太阳能的方式中存在的能量储存、设备难以移动等问题。首先用碳纳米管（或添加石墨烯）制备薄片状（或绒布样）弹性气凝胶，再共价接枝有两个稳定结构且能级有差异的光致异构体；或先在碳纳米管上共价接枝有两个稳定结构且能级有差异的光致异构体，再用功能化的碳纳米管制备成薄片海绵样弹性气凝胶。本发明制备的太阳能燃料为太阳能利用提供一条新型的途径。

Description

一种太阳能燃料及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域的技术，特别涉及一种太阳能燃料。
背景技术
太阳能作为可再生的清洁能源受到广泛关注。目前太能的利用主要有两大类，一种是太阳能电池装置，如硅太阳能电池，它利用半导体光电转换材料将光能转化为电能，然后加以利用；一种是太阳能蓄热装置，如太阳能热水器，它将光能转化为热能，储蓄在比热较大的水等液态物质之中，然后加以利用。这两种太阳能的利用方式都由于阳光的不稳定性，存在着能量的储存问题，例如由太阳能电池组成的系统需要配套的蓄电池来储存所转换的电能，以备在晚上或阴天等需要能量的时候使用；广泛使用的太阳能热水器在连续无阳光的天候中，因为热量的逐渐流失，而无法提供所需的能量。除此之外，为了获取较多的太阳能，现有的系统均需要较大的集光面积，由于系统均为刚性结构，在不使用或备用的情况下，系统占用的空间很大，更不方便系统的移动和运输。
发明内容
本发明针对以上的问题提出一种新型的解决方案，提供一种可重复使用的太阳能燃料。
碳纳米管是一种具有优良力学、光学性能的新型纳米材料，也具有优良的化学稳定性，由单壁（和/或多壁）碳纳米管形成的弹性气凝胶材料具有良好的物理化学性能，并具有丰富的微、纳米级的孔隙，在气凝胶中的碳纳米管壁上可以接枝光致异构体形成太阳能燃料。
石墨烯也是一种新型的碳二维材料。其与碳纳米管共同组成的弹性气凝胶具有较之单纯碳纳米管形成的弹性气凝胶更为优良的力学性能，利于太阳能燃料的重复使用。
光致异构体是一种在光的照射下能够发生分子内部结构变化的同分子式的物质。它的不同结构往往具有不同的最低分子能级（如图1）。具有最低能级的结构A态在阳光的照射下进入激发态，分子内部的结构发生改变，储存了能量△E转变至结构B态；在自然驰豫或外界光、热、电、触媒等触发条件下克服较低的能垒，释放能量，分子内部结构恢复到A态。这一循环过程即可达到储存和释放太阳能的目的，如同一种可循环使用的太阳能燃料。
具有两个稳定结构的光致异构体，如偶氮苯及含有偶氮苯基团的化合物、二芳基乙烯类化合物和螺吡喃类化合物等等，虽然在光的激发下会发生异构反应，但由于通常情况下这类物质以固态、液态或液晶态的形式存在，分子之间的相互作用妨碍了这种异构反应的发生，使得异构反应的量子产率不高，导致无法直接使用这类物质来进行太阳能的利用。
使用光致异构体如偶氮苯、二芳基乙烯、螺吡喃等化合物在碳纳米管上进行接枝反应，形成功能化的碳纳米管材料，用于光开关、光致动等微观器件，是目前光致异构体与碳纳米管接枝的主要应用领域，接枝后形成的材料也是作为固态、液态或液晶态来使用，也无法有效地进行太阳能的利用。
光致异构体化合物接枝碳纳米管的方法有化学合成法、加热、微波辐照等。
由碳纳米管（或碳纳米管和石墨烯）构成的弹性气凝胶具有微、纳米级的孔隙，将光致异构体接枝在组成弹性气凝胶的碳纳米管的壁上，如图2所示，弹性气凝胶中的碳纳米管犹如骨架，为在其上所接枝的光致异构体提供了相对自由的空间，从而减弱或切断光致异构体分子之间的相互作用，使得接枝的光致异构体分子的光致异构反应顺利进行，进而有效地达到太阳能储存和释放的利用效果。
像有颜色的布的生产，可以将棉线先织成白布再染色，也可以棉线先染色再织布一样，太阳能燃料的生产也可以先将碳纳米管制备成弹性气凝胶，再接枝光致异构体，或先将光致异构体接枝到碳纳米管，再用功能化的碳纳米管制成弹性气凝胶。
本发明提出一种新型的解决方案，将光致异构体（如偶氮苯及其化合物、二芳基乙烯类化合物和螺吡喃类化合物等等）接枝在组成弹性气凝胶的碳纳米管的壁上，形成太阳能燃料，从而实现了太阳能的储存和利用。本发明中的太阳能燃料以较薄的平面体形态（如海绵状、绒布状）展开吸收太阳能，储存和释放能量时可以挤压、卷捆和/或堆叠成占用面积较小的形态，释放能量的过程宛如使用燃料。本发明中的太阳能燃料在释放能量时可以用自然缓释或触发的方式来利用所储存的太阳能；最佳的方式是使用可控触发的方式，触发可以使用光、热、电或催化剂来进行，或组合使用上述手段以获得好的使用效果。
本发明制备的太阳能燃料使用方便、便于移动和储存，可重复使用，为太阳能利用提供一条新型的途径。
附图说明
图1所示为光致异构体的能级关系图，A态为光致异构体分子能级低的稳定结构，在1吸收太阳光能量后，进入激发态，发生分子结构的变化2，经过自然驰豫3进入B态，B态的分子能级与A态相比，具有△E的差值，从而储存了太阳能；处于B态的光致异构体在4外界光、热、电、催化剂的触发或自然驰豫下，经过5释放能量和结构改变，恢复到A态，完成利用太阳能的一个循环。
图2所示为光致异构体在弹性气凝胶中的碳纳米管上的接枝示意图，碳纳米管对于光致异构体起着相当于骨架的功能，光致异构体分子之间的相互作用受到减弱或切断，使得分子的结构异构化顺利发生。
具体实施方案：
实施例1：
取厚度2mm、密度约5mg/cm3的碳纳米管/石墨烯基的弹性气凝胶，将弹性气凝胶浸入浓硫酸中回流一小时，取出用去离子纯净水冲洗致中性，送入干燥箱升温至90℃干燥，将干燥后的弹性气凝胶放入溶有偶氮苯的乙醇溶液中升温至80℃回流二小时进行化学合成接枝反应，使偶氮苯链接在弹性气凝胶中的碳纳米管壁之上，接枝完成的弹性气凝胶即为太阳能燃料。
实施例2：
取厚度3mm、密度约20mg/ cm3的碳纳米管弹性气凝胶，将弹性气凝胶浸入浓硫酸中回流一小时，取出用去离子纯净水冲洗致中性，送入干燥箱升温至90℃干燥，将干燥后的弹性气凝胶放入溶有螺吡喃染料的乙醇溶液中，对弹性气凝胶进行通电加热，控制电流使温度保持在80℃，进行接枝反应，使螺吡喃染料链接在弹性气凝胶的碳纳米管壁之上，接枝完成的弹性气凝胶即为太阳能燃料。
实施例3；
取一单位的碳纳米管，将碳纳米管超声分散于浓硫酸中回流一小时，取出用去离子纯净水冲洗致中性，送入干燥箱升温至90℃干燥，将干燥后的碳纳米管放入溶有偶氮苯的乙醇溶液中升温至80℃回流二小时进行化学合成接枝反应，使偶氮苯链接在碳纳米管壁之上，将反应产物与0.2单位的石墨烯混合，加入去离子纯净水，进行超临界冷冻干燥，制成厚度1mm密度约50mg/cm3的弹性气凝胶，得到的弹性气凝胶即为太阳能燃料。
以上实施例形成的太阳能燃料，展开吸收太阳能，堆叠或卷捆起来用外部加热、光、催化剂、通电等方式触发或自然驰豫下使其放出所储存的能量；释放了能量的太阳能燃料再次展开，以吸收太阳能，达到太阳能的循环利用过程。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太阳能燃料，其特征在于由碳纳米管和石墨烯组成的弹性气凝胶，在碳纳米管壁上接枝有光致异构体化合物，光致异构体化合物是偶氮苯或含有偶氮苯基团的化合物或二芳基乙烯类化合物或螺吡喃类化合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能燃料，其特征在于弹性气凝胶的外形呈薄片海绵状或绒布状，厚度在0.2mm—20mm。
3.根据权利要求2所述的太阳能燃料，其特征在于弹性气凝胶中的碳纳米管壁上接枝的光致异构体化合物，具有两个稳定的分子结构，两个分子结构的分子能级的级差>20KJ/mol，其中分子能级低的结构在吸收太阳光能量后将发生向高分子能级的结构的转化，从而储存所吸收的太阳能；分子能级高的结构在热、光、电、催化剂触发下或自然驰豫下，会放出所储存的能量恢复到分子能级低的结构，接枝的光致异构体化合物在太阳能燃料中的质量占比在10％—98％。
4.根据权利要求3所述的太阳能燃料，其特征在于在碳纳米管壁上接枝光致异构体化合物时，已具有弹性气凝胶的形态，气凝胶的有效孔隙间距在10nm—10μm，制成的太阳能燃料的质量密度在10—2000mg/cm3 。
5.根据权利要求3所述的太阳能燃料，其特征在于使用已接枝有光致异构体化合物的碳纳米管和石墨烯来制备弹性气凝胶，制成的太阳能燃料的质量密度在10—2000mg/cm3 。
6.根据权利要求3所述的太阳能燃料，其特征在于弹性气凝胶中碳纳米管与石墨烯的质量比为1：0—0.5。
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