CN106256768A - 一种多层体及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多层体，其包括基体以及所述基体上的碳材料层，其中，所述基体是水可渗透的；所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。该多层体能够作为光吸收体吸收光能蒸发液体。该多层体具有较高的水蒸气产生效率和较高的光能利用率。

Description

一种多层体及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于光吸收领域，特别涉及一种多层体及其制备方法和用途。
背景技术
淡水资源的短缺已成为当今时代最为紧迫的问题之一。淡化海水是获得淡水资源的有效途径。海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中，太阳能蒸馏淡化海水的方法具有清洁、绿色、低碳的优点，是一种生产淡水的有前景的解决方案。
水的反射率和透射率都较高，直接被阳光照射时不能高效地利用太阳能，以及高效地产生水蒸气。为了提高太阳能利用率和水蒸气产生效率，人们使用吸光率相对较高材料作为光吸收体吸收光能，再将吸收的光能转化为热能传递给水体，以实现水体的升温蒸发。
现有技术中，有人使用纳米颗粒作为光吸收体，在水中分散吸光率较高的纳米颗粒，通过纳米粒子吸光发热，并加热水体，以实现水的高效蒸发。
现有技术中，还有人使用多孔材料作为光吸收体，在水面覆盖吸光率较高的多孔材料，通过多孔材料吸光发热，并加热水体，以实现水的高效蒸发。
发明内容
发明人发现，现有技术中采用的光吸收体大多制备工艺复杂、成本较高、且不容易实现大规模的生产和应用。
发明人首次将碳材料(碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管)与水可渗透的基体复合，获得多层体。该多层体可作为光吸收体用于吸收光能蒸发液体。该多层体制备的工艺简便、成本低、容易实现大规模的生产和应用
发明人还进一步对多层体的基体进行了改良，制备了水可渗透的且吸水后热导率较低的基体。使用该基体的多层体表现出较高的水蒸气产生效率和较高的太阳能利用率。
本发明的一个目的是提供一种多层体。本发明的又一个目的是提供一种能够吸收光能蒸发液体的多层体。本发明的再一个目的是提供一种多层体的制备方法。本发明的再一个目的是提供一种碳材料(碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管)的用途。
为了实现上述一个或多个目的，本发明第一方面提供一种多层体，其包括基体以及所述基体上的碳材料层，其中，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
本发明第二方面提供一种多层体的制备方法，其包括：
a)获得碳材料的分散液；
b)将碳材料的分散液涂覆或沉积在基体上，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
本发明第三方面提供一种多层体，该多层体由本发明任一项的多层体的制备方法制备而成。
本发明第四方面提供一种本发明任一项的多层体作为光吸收体的用途。
本发明第五方面提供一种碳材料层作为光吸收体的用途。
本发明的有益效果
本发明多层体和/或多层体的制备方法具有以下一项或多项有益效果：
(1)本发明多层体制备方法简便、成本低；
(2)本发明多层体有较好的亲水性；
(3)本发明多层体强度高，尤其有较好的耐折叠性，便于运输和部署；
(4)本发明多层体作为光吸收体水蒸气产生效率高；
(5)本发明多层体作为光吸收体太阳能利用率高；
(6)本发明多层体作为光吸收体能够在较低的光功率密度下实现较高的水蒸气产生效率和/或太阳能利用率；
(7)本发明多层体持久耐用、循环性能稳定；
(8)本发明多层体具有很好的绝热性，吸水后具有较低的热导率；
(9)本发明多层体具有多孔结构，多孔结构为吸收水分和蒸汽的散出提供了良好通道。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图1为多层体-1的结构示意图；
图2为多层体-2的结构示意图；
图3为多层体-2的部分基体的结构示意图；
图4为氧化石墨烯膜的XPS图谱；
图5为氧化石墨烯膜横截面的SEM照片；
图6为氧化石墨烯膜的孔径分布曲线；
图7为AM1.5G模拟太阳光光谱和氧化石墨烯膜的光吸收率曲线；
图8为多层体-1折叠测试的示意照片；
图9为多层体-2组装过程的示意照片；
图10为多层体-1(图10的a)和多层体-2(图10的b)在水中漂浮的示意图；
图11为水蒸气产生实验1中水的质量变化-时间曲线；
图12为水蒸气产生实验2中水的质量变化-时间曲线；
图13为设置了多层体-2的盛水杜瓦瓶在光照下，水面及水蒸气的温度-时间曲线；
图14为设置了多层体-2的盛水烧杯在光照下，水面及水蒸气的温度-时间曲线；
图15为设置了多层体-1的盛水杜瓦瓶和烧杯在光照下，水面温度-时间曲线。
具体实施方案
本发明提供了如下的具体实施方案以及他们之间的所有可能的组合。出于简洁的目的，本申请没有逐一记载实施方案的各种具体组合方式，但应当认为本申请具体记载并公开了所述具体实施方案的所有可能的组合方式。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其包括基体以及所述基体上的碳材料层，其中，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料包括氧化石墨烯。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层包括氧化石墨烯层。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述氧化石墨烯层由多个单层氧化石墨烯层叠而成。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层和/或基体是隔热的。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体吸水后在至少一个方向(例如垂直于层表面方向)的热导率低于1W/(m·K)，优选低于0.2W/(m·K)，再优选低于0.1W/(m·K)。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层吸水后在至少一个方向(例如垂直于层表面方向)的热导率低于1W/(m·K)，优选低于0.2W/(m·K)。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述基体吸水后在至少一个方向(例如垂直于多层体的层表面方向)的热导率低于1W/(m·K)，优选低于0.2W/(m·K)，再优选低于0.1W/(m·K)。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述多层体在至少一个方向(例如垂直于层表面方向)是水可渗透的。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体位于在水面时，碳材料层不与水面直接接触，而是通过基体与水面实现液体连接。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述碳材料层是亲水的。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述碳材料层是水可渗透的。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述碳材料层包括多孔结构。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述基体是亲水的。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述基体包括多孔结构。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述多孔结构是多孔毛细结构
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体位于在水面上时，基体的多孔毛细结构能够利用毛细管力将水输送给碳材料层。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述基体包括：带毛细孔的吸水材料和低热导率材料。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述带毛细孔的吸水材料和所述低热导率材料复合结合。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述带毛细孔的吸水材料包裹所述低热导率材料。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述低热导率材料被带毛细孔的吸水材料贯穿。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述带毛细孔的吸水材料是多孔纤维素或亲水纤维。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述纤维素是醋酸纤维素、硝酸纤维素或混合纤维素。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述亲水纤维是天然亲水纤维和/或合成亲水纤维。天然亲水纤维例如是植物纤维(例如棉纤维、麻纤维或木纤维)或动物纤维(例如丝、毛)。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述带毛细孔的吸水材料中，毛细孔的孔径为1～1000微米，例如10～100微米。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，低热导率材料的热导率低于1W/(m·K)，优选低于0.2W/(m·K)，再优选低于0.1W/(m·K)。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，低热导率材料为选自聚氨酯(泡沫)、橡胶、玻璃棉和硅酸铝中的一种或多种。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，在所述基体还包括其它的水可渗透材料。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述其它的水可渗透材料与所述氧化石墨烯层接触。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中，所述其它的透水材料为混合纤维素膜。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，其中所述混合纤维素滤膜为多孔聚偏氟乙烯-聚丙烯混合纤维素滤膜。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，碳材料层的厚度为1～100微米，例如1～10微米。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层有多孔结构(例如毛细多孔结构)，多孔结构的孔径为10～1000纳米，优选为10～120纳米，再优选为40～80纳米。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层中，孔径为40～80纳米的孔的孔体积为0.01～100cm3/g。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述碳材料层中，孔径为40～80纳米的孔的孔体积为0.01～10cm3/g。
在一个实施方案中，氧化石墨烯有下述一种或多种官能团(或化学键)：C-C、C-O、C＝O和O-C＝O。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，氧化石墨烯的X射线光电子光谱(XPS)的C1s谱图中有：C-C、C-O、C＝O和O-C＝O官能团(或化学键)的峰。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，氧化石墨烯由Hummers法合成。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，采用湿化学的方法获得碳材料层。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，所述湿化学的方法是旋涂、喷涂或液相沉积。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，基体的厚度为0.1～10cm，优选为1～5cm。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，基体有多孔结构(例如毛细多孔结构)，多孔结构的孔径优选为1～1000微米，再优选为10～100微米。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体能够漂浮在水面上。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体是在光照下使用。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，该多层体是在光照下漂浮在液体上使用。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，其包括：
a)获得碳材料的分散液；
b)将碳材料的分散液涂覆或沉积在基体上，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，其中，步骤a)的碳材料的在至少一个维度的尺寸为1纳米～1000微米，例如1～1000纳米，再例如1～1000微米。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，所述碳材料包括氧化石墨烯。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，其中，步骤b)的涂覆是旋涂或喷涂。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，其中，步骤b)的沉积是过滤沉积或抽滤沉积。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，其中，步骤a)包括用Hummers法合成氧化石墨烯的步骤。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，步骤a)中氧化石墨烯的分散液是氧化石墨烯在水中的分散液。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体的制备方法，步骤a)中氧化石墨烯的分散液的浓度为1～10mg/mL。
在一个实施方案中，本发明提供一种多层体，由本发明任一项的制备方法制备得到。
在一个实施方案中，本发明提供本发明任一项的多层体作为光吸收体的用途。
在一个实施方案中，本发明提供碳材料膜作为光吸收体的用途，所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
在一个实施方案中，本发明提供碳材料膜作为光吸收体的用途，碳材料包括氧化石墨烯。
在一个实施方案中，本发明提供碳材料膜作为光吸收体的用途，所述碳材料膜具有以下一项或多项特征：
a)所述碳材料膜是厚度为1～100微米，例如1～10微米；
b)所述碳材料膜的孔径为10～120纳米，优选为40～80纳米。
c)所述碳材料膜中，40～80纳米孔的孔体积为0.01～100cm3/g，优选为0.01～10cm3/g。
在一个实施方案中，本发明任一项的用途，所述光吸收体能够用于吸收光能蒸发液体。
在一个实施方案中，本发明任一项的用途，所述光吸收体还能够用于海水淡化、污水提纯、不同溶剂分离、产生热蒸汽。
具体实施例
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不一定构成对本发明的限定。
下述实施例中的多层体包括：基体以及所述基体上的碳材料层，其中，所述基体是水可渗透的；所述碳材料层是氧化石墨烯层。
一、氧化石墨烯由下述方法制备：
采用Hummers方法制备的氧化石墨烯的分散液。
原料：鳞片石墨(30目，国药集团化学试剂有限公司，纯度为99.99重量％)，质量分数为98％的浓硫酸(分析纯AR，国药集团化学试剂有限公司)，质量分数为30％的双氧水(优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司)，高锰酸钾(优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司)，质量分数为36％盐酸(优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司)。
低温反应阶段：在500mL的烧杯中小心倒入120mL的浓硫酸，然后把烧杯放入冰水中静置，待浓硫酸的温度降到0℃，搅拌中加入石墨5g。搅拌30min后，在混合液中缓慢加入0.75g的高锰酸钾，同时不断搅拌，并且控制温度不超过5℃。继续搅拌30min后，在烧杯中缓慢加入15g的高锰酸钾，同时不断的搅拌，控制温度不超过5℃，连续搅拌30min。
中温反应阶段：将盛有混合液的烧杯放入35℃的水浴中，搅拌2h。搅拌完成后，取出水浴中的混合液样品，并缓慢地加入225mL去离子水。
高温反应阶段：将盛有混合液的烧杯放入98℃的恒温水浴中不断搅拌，保持30min。配制质量分数为3.5％的双氧水溶液，将恒温水浴中的混合液取出，加入150mL质量分数为3.5％的双氧水溶液，混合液呈亮黄色。
将上述溶液趁热过滤，除去大部分的水和强酸等，再用质量分数为5％的盐酸溶液洗涤，除去金属离子，最后用蒸馏水反复洗涤直至中性，放入烘箱中充分干燥以待用。
二、仪器和材料如下表1所示：
表1
实施例1
图1是实施例1的多层体-1的示意图，如图所示，多层体1包括：基体2以及基体2上的氧化石墨烯层1。具体地，基体2是多孔混合纤维素膜。
该多层体-1的制备步骤包括：
(1)氧化石墨烯分散液的制备：将0.4g烘干的氧化石墨烯分散在100mL去离子水中，超声3h，获得氧化石墨烯分散液，其中氧化石墨烯的浓度为4mg/mL。
(2)氧化石墨烯层的组装：采用湿化学的方法实现氧化石墨烯层的组装。具体地，以多孔混合纤维素膜(成分：PVDF-聚丙烯混合纤维素，直径50mm，孔径0.02mm)为基体。取30mL氧化石墨烯分散液，采用抽滤沉积的方法在多孔混合纤维素膜上沉积一层氧化石墨烯膜，抽滤的压力为0.07MPa。抽滤完成后，在60℃真空干燥5小时，获得实施例1的多层体-1。
多层体-1的基体是多孔混合纤维素膜。该多孔混合纤维素膜是亲水的、水可渗透的、且具有多孔毛细结构。基体的多孔毛细结构能够利用毛细管力将水输送给氧化石墨烯层。
为了测试氧化石墨烯层的物理或化学参数，将氧化石墨烯层从多孔混合纤维素膜上剥离，得到剥离后的氧化石墨烯膜，对剥离后的氧化石墨烯膜进行了XPS、SEM和孔径分布分析：
使用X射线光电子能谱(XPS)分析了氧化石墨烯中的功能基团。该能谱仪配备一个单色Al Ka X射线源，测量真空度为5×10-9Torr。图4为氧化石墨烯膜的X射线荧光光谱(XPS)图。如图所示，氧化石墨烯层的X射线光电子光谱(XPS)的C1s谱图包括4种类型的碳键：在约284.9eV处的峰代表芳香环中的C-C键，在约286.9eV处的峰代表了羟基和环氧基的C-O键，在约288.1eV处的峰代表羰基中的C＝O键，以及在289.3eV处的峰代表羧基中的O-C＝O键。由于具有上述4种键(或官能团)，氧化石墨烯具有极好的亲水性，能够稳定地分散在水溶液中。因此，可以采用大规模的生产方法，例如喷涂或旋涂，将氧化石墨烯的分散液涂覆在大面积的基体上，实现多层体的大规模生产。同时，氧化石墨烯膜是亲水的，有利于水分的流入。
使用扫描电子显微镜(SEM)分析了氧化石墨烯膜横截面的形貌。图5为多层体1的氧化石墨烯膜的横截面的扫描电镜照片，如图所示，该氧化石墨烯膜的厚度为约4微米，具有明显的层状结构。结合氧化石墨烯的性质可知，该氧化石墨烯膜是由多个厚度约为1nm的单层氧化石墨烯片层逐层堆积而成。上述层状结构有利于增大氧化石墨烯膜的热阻，尤其是垂直于膜表面方向的热阻，垂直于氧化石墨烯膜表面方向的热导率约为0.2W/mK。
使用比表面与孔隙度分析仪，通过BET法在-196℃分析了氧化石墨烯膜的孔径分布。图6是氧化石墨烯膜的孔体积随孔径变化的曲线。如图所示，40纳米的孔具有最高的孔体积，为约0.05cm3/g。因此氧化石墨烯膜中典型的孔径为40纳米。由BET分析可知，氧化石墨烯膜有多孔(毛细)结构，该多孔(毛细)结构为水分流入和蒸汽散出提供了高效的通道。
另外，还对多层体1进行了吸光度测试。具体地，将多层体-1用水浸湿后，使用紫外/可见光光谱仪，用AM1.5G标准太阳光(波长范围：200-2500nm)照射氧化石墨烯层一侧，分析了湿的多层体-1的光吸收率。图7的曲线1(对应右侧坐标轴)为AM1.5G标准太阳光的能量密度(W/(m2·nm))随波长变化的曲线。图7的曲线2(对应左侧纵坐标轴)为多层体-1的光吸收率(％)随波长变化的曲线。经计算，水浸湿的多层体-1对AM1.5G标准太阳光(波长范围：200-2500nm)的平均光吸收率为94％。这说明多层体-1(特别是氧化石墨烯膜)在较宽的波长范围下具有较高的光吸收率，适合作为光吸收体。
另外，还对多层体-1进行耐折叠测试。具体地，将多层体反复折叠50次后展开观察。图8为折叠过程的示意照片。图8的(a)是折叠后的照片，图8的(b)将反复折叠50次后的多层体-1展开的照片。如图8的(b)所示，50次折叠没有对多层体-1造成明显的损坏。因此，多层体-1具有极好的耐折叠性，这使得它可以在运输时被折叠起来，到达目的地后再展开，非常便于运输和部署。因此，多层体-1适合大规模地应用，例如可以将大量折叠状态的多层体-1运输到海边，展开后大面积地铺放在海水表面，用于海水的蒸发脱盐。
实施例2
图2为实施例2的多层体-2的结构示意图。多层体-2包括：基体2以及基体2上的氧化石墨烯层1。基体2包括多孔混合纤维素膜210和亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板220。多孔混合纤维素膜210位于氧化石墨烯层1和亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板220之间。图3为亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板220的结构示意图，如图所示，亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板220包括：聚苯乙烯泡沫板221和亲水纤维素膜222，聚苯乙烯泡沫板221被亲水纤维素膜222包裹。
多层体2的制备步骤包括：
(1)氧化石墨烯分散液的制备：将0.4g烘干的氧化石墨烯片分散在100mL去离子水中，超声3h，获得氧化石墨烯分散液，其中氧化石墨烯的浓度为4mg/mL。
(2)氧化石墨烯层的组装：采用湿化学的方法实现氧化石墨烯层的组装。具体地，取30mL氧化石墨烯分散液，采用抽滤沉积的方法在多孔混合纤维素膜(PVDF-聚丙烯混合纤维素，直径50mm，孔径0.02mm)上沉积一层氧化石墨烯，抽滤的压力为0.07MPa，抽滤完成后，在60℃真空干燥5小时。
取厚度约1.6cm、直径约3cm的聚苯乙烯泡沫板(热导率约0.04W/mK，南京胜诺达新型材料有限公司)，用约50μm厚的亲水纤维素膜(成分包括木质素)包裹该泡沫板。再将上述沉积有氧化石墨烯层的多孔混合纤维素膜与亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板层叠，多孔混合纤维素膜位于氧化石墨烯层与亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫板之间，获得实施例2的多层体-2。
图9示出了多层体-2的组装步骤示意照片，图9的(a)为聚苯乙烯泡沫板，图9的(b)为包裹了亲水纤维素膜的聚苯乙烯泡沫板，图9的(c)在包裹了亲水纤维素膜的聚苯乙烯泡沫板的基础上，进一步层叠了沉积了氧化石墨烯层的多孔混合纤维素膜，得到多层体-2。
多层体-2的基体包括亲水纤维素膜包裹的聚苯乙烯泡沫塑料，以及多孔混合纤维素膜。由于亲水纤维素膜和多孔混合纤维素膜都是亲水的、水可渗透的、且具有多孔毛细结构，因此多层体-2的基体是亲水的、水可渗透的、且具有多孔毛细结构。基体的多孔毛细结构能够利用毛细管力将水输送给氧化石墨烯层。
聚苯乙烯泡沫具有较低的热导率(例如约0.04W/(m·℃))，多层体-2的基体由低热导率材料(聚苯乙烯泡沫)和毛细多孔材料(亲水纤维素膜)复合而成，因此兼具隔热和毛细吸水的性质。当多层体-2漂浮在水面上时，隔热的基体能够使热量集中在氧化石墨烯层附近，避免热量散失到水中。
实施例3(水蒸气产生实验1)
环境温度16℃，湿度60％。容器：杜瓦瓶。
取三只杜瓦瓶盛相同量的水，一只杜瓦瓶中设置多层体-1，一只杜瓦瓶中设置多层体-2，一只杜瓦瓶中不设置多层体。对于设置了多层体的杜瓦瓶，多层体是平行于水面漂浮的，多层体的基体一侧(朝下)接触水面，氧化石墨烯层一侧(朝上)背向水面。多层体置于水面上后，水能够渗透多层体-1和多层体-2的基体，并接触到氧化石墨烯层，将氧化石墨烯层浸湿。
使用模拟太阳光照射上述三支杜瓦瓶。模拟太阳光按如下方法获得：将太阳光模拟器(Newport94043A)产生的光经滤光片过滤后，获得符合AM1.5G光谱标准的模拟太阳光，并调整光功率(Pin)为1kW·m-2。
用模拟太阳光照射上述三支杜瓦瓶，在0～2700秒通过分析天平实时测量杜瓦瓶水的质量变化(相当于水蒸汽产生量)。图11为三支杜瓦瓶质量变化-时间曲线，其中，曲线1、2和3分别代表设置了多层体-1、多层体-2和没有设置多层体的盛水杜瓦瓶的质量变化-时间曲线。根据图11的曲线，计算出水的质量损失速率，即以质量计的水蒸汽产生速率，单位为kg/(m2h)。为了得到稳定的蒸汽产生速率，以光照开始后1800-2700秒测得的水蒸气产生量的数据计算水蒸气产生速率。在模拟太阳光(Solar)下的水蒸气产生速率以mS表示。
对于设置了多层体-2和没有设置多层体的盛水杜瓦瓶，还测量了它们在黑暗(Dark)中的水蒸气产生速率，以mD表示。
对于设置了多层体-1和多层体-2的盛水杜瓦瓶，为了测量水体温度和产生水蒸气的温度，在多层体的上表面和水面处分别设置热电偶，以测量产生蒸汽(Steam)的温度TS(℃)，以及水面(Water Surface)的温度TW(℃)。蒸发实验开始时水面的初始温度为TW0，水蒸气的初始温度为TS0；蒸发进行45分钟后水面的温度为TW45，水蒸气温度为TS45。从蒸发开始到进行45分钟，水面温度变化△TW＝TW45-TW0。图13为光照时多层体-2在杜瓦瓶中，水面温度和水蒸气温度随时间变化的曲线，其中的曲线1代表水面温度-时间曲线，曲线2代表水蒸气温度-时间曲线。图15的曲线1为光照时多层体-1在盛水杜瓦瓶中，水面温度-时间曲线。
为了计算太阳能转化为水蒸气的太阳能利用率(η)，此处引入公式。其中m为水蒸汽净产生速率，水蒸汽净产生速率(m)＝光照下水蒸气产生速率(mS)-暗处水蒸气产生速率(mD)。hLV为水的液汽相变总焓(潜热焓+显热焓)，其中水的潜热焓为2260J/g，显热焓为4.2J/gK。Pin为模拟太阳光的光功率密度。
对于设置了多层体-1、多层体-2和没有设置多层体的盛水杜瓦瓶，它们的水蒸汽产生速率、太阳能利用率数据参见表2，水面和水蒸气温度变化数据参见3。
实施例4(水蒸气产生实验2)
环境温度16℃，湿度60％。容器：烧杯。
对于水蒸气产生实验2，除了将水蒸气产生实验1中的杜瓦瓶替换为烧杯，其它实验步骤与水蒸气产生实验1相同。
图12为在模拟太阳光下，三支盛水烧杯在0～2700秒的质量变化-时间曲线，其中，曲线1、2和3分别代表设置了多层体-1、多层体-2和没有设置多层体的盛水烧杯的质量变化-时间曲线。
图14为光照下多层体-2在烧杯中，水面温度和水蒸气温度随时间变化的曲线。其中的曲线1代表水面温度-时间曲线，曲线2代表水蒸气温度-时间曲线。图15的曲线2为光照下多层体-1在盛水烧杯中时，水面温度变化的曲线。
对于设置了多层体-1、多层体-2和没有设置多层体的盛水烧杯，它们的水蒸汽产生速率、太阳能利用率数据参见表2，水面和水蒸气温度变化数据参见3。
以下通过表2和表3的数据，进一步分析多层体-1和多层体-2的性质。
表2水蒸气产生速率和太阳能利用率
图10的(a)和(b)分别示出了多层体-1和多层体-2在水面3漂浮的状态。多层体-1的基体2为多孔纤维素滤膜；多层体-2的基体2包括多孔纤维素滤膜210，以及被亲水纤维素膜222包裹的聚苯乙烯泡沫板221。
如图10的(b)所示，多层体-2的氧化石墨烯层1不与水面3直接接触，而是以水可渗透的基体2为媒介与水面3建立液体连接。这种结构有利于热量集中在氧化石墨烯层中，避免热量散失到水面3，进而有利于水的高效蒸发和能量的高效利用。基体2中还可以含有热导率较低的材料(例如聚苯乙烯泡沫板221)，进一步有利于热量的集中。
由表2可知，无论是在杜瓦瓶中还是在烧杯中，多层体-1和多层体-2的水蒸气产生效率都高于不设置多层体的情况。这说明氧化石墨烯膜适合作为光吸收体。同时，根据上文的测试，氧化石墨烯薄膜作为光吸收体有如下的优势：第一，氧化石墨烯膜在较宽的波长范围具有较高的光吸收率；第二，氧化石墨烯膜膜的多孔结构为水分流入和蒸汽散出提供了良好的通道；第三，氧化石墨烯膜膜在垂直于膜膜表面的方向具有较低的热导率，有助于避免热量散失到水中。第四，氧化石墨烯膜是亲水的、水可渗透的、且具有多孔毛细结构，其在作为光吸收体时容易吸收水分散出蒸汽。第五，氧化石墨烯的亲水性使得而且在制备时容易它能够稳定分散在水溶液中，为大规模制备多膜体提供便利。
进一步，由表2可知，无论是在杜瓦瓶中还是在烧杯中，多层体-2在光照下都表现出最高的水蒸气产生速率和最高的太阳能利用率。例如，在杜瓦瓶中，多层体-2在光照下水蒸气产生速率为约1.45kg/(m2h)，大约是设置多层体-1的杜瓦瓶的2倍，是不设置多层体的杜瓦瓶的6倍。而且，对于设置多层体-2的杜瓦瓶和烧杯，太阳能利用率分别为84％和78％，高于设置多层体-1时的50％和39％。上述数据对比说明，多层体-2的结构更有利于获得较高的水蒸气产生速率和较高的太阳能利用率。
表3水面和水蒸气温度变化
如表3所示，对于设置了多层体-2的杜瓦瓶和烧杯，光照45分钟后，产生水蒸气的温度分别为约40℃和约39℃，水面温度只上升了0.9℃和0.6℃。相比之下，对于设置了多层体-1的杜瓦瓶和烧杯，光照45分钟后，水面温度上升了13.7℃和11.4℃。上述数据说明，多层体-2的结构更有利于热量的集中。氧化石墨烯层产生的热量被集中在多层体内部，而不是散失到水面。多层体-2漂浮在水面作为光吸收体时，在产生水蒸气(39～40℃)的同时，水面温度几乎没有变化。
根据表2和表3的数据，已知多层体上下表面温差，多层体厚度，单位时间内传递过多层体的热量，根据傅立叶定律，可计算出整个多层体-2的热导率约为0.03W/mK。因此，多层体-2及其基体在吸水后仍具有较低的热导率。
实施例5 红外热成像实验
按照实施例4的步骤。用模拟太阳光照射设置有多层体-1和多层体-2的盛水烧杯，用红外成像仪分别观察测量多层体-1和多层体-2的氧化石墨烯层的温度。分别测量实验开始时(初始值)，进行1min和进行45min后的氧化石墨烯层的温度，测量结果如下表4所示。
表4
由表4可知，多层体-2在光照实验开始的1分钟内，温度由12.9℃迅速升高至32.1℃，45分钟后温度升高至38.8℃。多层体-1在光照实验开始的1分钟内，温度从14.4升高至19.9℃，45分钟后温度升高至30.7℃。这说明氧化石墨烯层升温在1kW·m-2的光照下能够升温至较高的温度。特别地，多层体-2升温快，而且稳定时温度高，有利于水蒸气的快速产生和快速蒸发。
综合表2、3和4的数据可知，在水蒸发试验1和2中，多层体-1和多层体-2都表现出较高的水蒸气产生效率和光吸收率。这说明氧化石墨烯层适合作为光吸收体。进一步，多层体-2的基体具有更好的隔热效果，使得多层体-2表现出(1)更高的水蒸气产生速率；(2)更高的太阳能利用率；(3)较高的水蒸气温度；(4)更高的氧化石墨烯层升温速度和稳定温度；(5)更低的水面温度变化。
实施例6 海水脱盐实验
按照水蒸气产生实验4(容器为烧杯)的步骤，使用多层体-2蒸发三种模拟海水，并将蒸发后的水蒸气冷凝收集，获得脱盐海水。3种模拟海水分别为北海海水(NaCl含量1.4wt％)、红海海水(NaCl含量4.1wt％)和含盐量为全球平均值的全球海水(NaCl含量3.5％wt％)。上述三种海水脱盐前后的含盐量如下表5所示：
表5
北海海水 红海海水 全球海水
脱盐前 5200mg/L 15228mg/L 13000mg/L
脱盐后 29mg/L 6.33mg/L 15.1mg/L
由表5可知，多层体-2能够用于海水脱盐，海水经本发明多层体脱盐后，含盐量较低。
实施例7 光照蒸发循环试验
按照实施例4的步骤，对设置有多层体-2的盛水烧杯进行光照蒸发循环试验。总共进行10次循环，每次循环进行1小时以上的光照蒸发试验。表6记录了每次循环的水蒸气产生速率mS，单位kg/(m2h)。
表6
循环数 1 2 3 4 5
mS 1.158 1.157 1.152 1.136 1.112
循环数 6 7 8 9 10
mS 1.138 1.163 1.125 1.114 1.127
由表6的数据可知，多层体-2具有较好的循环稳定性，经长时间多次数的循环光照实验后，仍保持稳定的水蒸气产生速率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (17)

1.一种多层体，其包括基体以及所述基体上的碳材料层，其中，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
2.根据权利要求1的多层体，所述碳材料包括氧化石墨烯。
3.根据权利要求1的多层体，所述碳材料层包括氧化石墨烯层。
4.根据权利要求3的多层体，所述氧化石墨烯层由多个单层氧化石墨烯层叠而成。
5.根据权利要求1的多层体，所述碳材料层和/或基体是隔热的。
6.根据权利要求5的多层体，所述碳材料层和/或基体吸水后在至少一个方向(例如垂直于层表面方向)的热导率低于1W/(m·K)，优选低于0.2W/(m·K)。
7.根据权利要求1的所述多层体，所述多层体在至少一个方向(例如垂直于层表面方向)是水可渗透的。
8.根据权利要求1的多层体，该多层体位于在水面时，碳材料层不与水面直接接触，而是通过基体与水面实现液体连接。
9.根据权利要求1的多层体，其中，所述碳材料层和/或所述基体是亲水的。
10.根据权利要求1的多层体，其中，所述碳材料层和/或基体包括多孔结构。
11.根据权利要求10的多层体，所述多孔结构是多孔毛细结构。
12.根据权利要求11的多层体，该多层体位于在水面上时，基体的多孔毛细结构能够利用毛细管力将水输送给碳材料层。
13.根据权利要求1的多层体，其中，所述基体包括：带毛细孔的吸水材料和低热导率材料。
14.一种多层体的制备方法，其包括：
a)获得碳材料的分散液；
b)将碳材料的分散液涂覆或沉积在基体上，所述基体是水可渗透的；
所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
15.一种多层体，由根据权利要求14的制备方法制备得到。
16.权利要求1～15任一项的多层体作为光吸收体的用途。
17.碳材料膜作为光吸收体的用途，所述碳材料包括下述材料的一种或多种：石墨、石墨烯、氧化石墨烯、化学官能团修饰的石墨烯和碳纳米管。
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