CN108557936A - 一种铝钛氧化物太阳光吸收材料、及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种铝钛氧化物太阳光吸收材料、及其制备方法和应用，特别涉及光热转换过程，并将光热转化过程应用于海水脱盐，属于太阳能综合利用领域。本申请选取TiO2和铝粉作为原材料，通过混合碰撞作用使得两者反应得到高效吸收太阳光的材料，并且制备的材料的太阳光吸收效率能达90％以上，所制备的自漂浮的多孔薄膜脱盐效率达77％以上，被脱盐的海水盐度急剧降低。

Description

一种铝钛氧化物太阳光吸收材料、及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及一种铝钛氧化物太阳光吸收材料、及其制备方法和应用，特别涉及光热转换过程，并将光热转化过程应用于海水脱盐，属于太阳能综合利用领域。
背景技术
太阳能辐照毫无疑问是世界上一个清洁、取之不尽和可持续利用的能源，但如何高效获取和转换太阳能仍然是面临的一个主要问题。目前，已经开发了多种方法来收获和转换太阳能，包括光伏，人工光合作用和光热转换。通常情况下，光热转换是直接或间接获取太阳能的有效形式。在许多情况下，光热转换引起水蒸发更是太阳能重要的应用之一。如今，因人口增长、工业污染和气候变化造成的淡水稀缺已成为许多国家的严重问题。满足日益增长的淡水需求的解决方案是海水淡化和废水再利用。
目前，商用的海水淡化技术是多级闪蒸(MSF)脱盐和反渗透脱盐(RO)工艺(Desalination,2008.221(1-3):p.47-69.)。相比之下，RO过程消耗的电能比MSF过程少，可以产生更多的淡水，RO过程将有更大的发展。然而，RO过程还有一些不足和限制，首先需要大量的电力，从而排放更多的温室气体，其次对海洋生物的生存也构成威胁，而且也难以应用到偏远的农村。
由上所述，将光热效应应用于海水脱盐成为一个新型的节能环保的脱盐技术。一般来说，用于光热脱盐工艺理想的光热材料应具有以下特点：1)它们必须具有在太阳光谱(250-2500nm)的全范围内具有高效的吸收光的能力，2)它们必须有低的红外(IR)辐射能力，即通过对流和辐射向环境辐射热量的能力弱，确保最大的光热转换效率，3)原料储量丰富，无毒，易于获得，而且制备工艺要简单，经济，环保，可实现大规模生产。
目前，有许多研究专注于光热海水脱盐，并有效的提升了光热海水脱盐效率。如有研究报道利用多孔阳极氧化铝(AAO)模板物理气相沉积铝纳米颗粒作为光热薄膜，可实现1个太阳光下(1000W·m-2)蒸发效率可达58％，海水样品盐度可降低4个数量级(NaturePhotonics,2016.10(6):p.393-398.)。另有研究通过还原TiO2制备黑色钛氧化物用于光热海水脱盐，其效率可达70.9％，可使得海水盐度显著降低(ACS Appl.Mater.Interfaces,2016.8(46):p.31716-31721.)。很多研究通过金属(如镁和铝)热还原TiO2制备黑色二氧化钛，来提升TiO2的光吸收性能并将其用于光热海水脱盐领域。但后续的酸处理过程只留下黑色TiO2成分，其余被酸移除的成分则既未被充分利用，同时造成环境污染。除此之外，新型的碳材料和贵金属应用到光热海水脱盐领域，脱盐效率得到有效的提升(Nat.Commun.,2014.5:p.4449.Sci.Adv.,2016.2(4):p.e1501227.)。然而，从规模化生产角度目前的许多研究还存在诸如，原料昂贵，制备工艺复杂且成本高昂和环境不友好等方面的制约而难以商业化。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种铝钛氧化物太阳光吸收材料，该材料可高效吸收太阳光和高效光热转化率。
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料，其特征在于，由含有铝和TiO2的原料制备得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料中Al元素摩尔数与(Al元素与Ti元素摩尔数之和)的比值为：
Al/(Al+Ti)＝0.05～0.95：1。
优选地，所述铝钛氧化物太阳光吸收材料中Al元素摩尔数与(Al元素与Ti元素摩尔数之和)的比值为：
Al/(Al+Ti)＝0.1～0.9：1。
优选地，当太阳光密度为1000W·m-2，所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的光热脱盐效率≥75％；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的太阳光吸收效率≥90％。
根据本申请的另一个方面，提供了一种铝钛氧化物太阳光吸收材料的制备方法，该方法的原材料廉价，方法简易、环保。
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的制备方法，其特征在于，将含有铝和TiO2的原料通过碰撞反应制备得到。
优选地，至少包括以下步骤：将含有铝粉和TiO2粉的原料研磨不少于1小时，即得所述铝钛氧化物太阳光吸收材料。
优选地，所述含有铝粉和TiO2粉的原料研磨时间为1～20h。
优选地，所述研磨的方式为在球磨机中球磨；
所述球磨的参数为：筒体转速为100～600r/min；
球料质量比为：6～50；
平均球径为：1～10mm；
进料粒径为：30nm～74mm；
出料粒径为：80nm～1.5μm。
优选地，所述筒体转速为200～600r/min。
优选地，所述球料质量比为：8～40。进一步优选地，所述球料质量比为：12.5。
优选地，所述平均球径为：5～10mm。进一步优选地，所述平均球径为：8mm。
优选地，所述进料粒径为：50nm～65mm。
优选地，所述出料粒径为：100nm～1.3μm。
优选地，所述TiO2的粒径为30～50nm。
优选地，所述铝粉的粒径为1μm～74mm。
优选地，所述含有铝和TiO2的原料中，TiO2与铝粉的质量比为27～0.3：1。进一步优选地，所述含有铝和TiO2的原料中，TiO2与铝粉的质量比范围上限选自27:1、25:1、20:1、15:1、11.5:1、10:1、7:1、5:1，下限选自4.4:1、4:1、3:1、2.9:1、2:1、1.7:1、1.5:1、1:1、0.7:1、0.3:1。
根据一种具体的实施方式，所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的制备方法，包括如下步骤：
称取以某一质量比(如5:3)的TiO2粉末和铝粉，将其混合后倒入球磨罐中，球磨1h以上即得Al-Ti-O粉体。或以Al/(Al+TiO2)摩尔比为0.1-0.9称取TiO2粉体和铝粉，将其混合后倒入球磨罐中，球磨1h以上得Al-Ti-O粉体。
根据本申请的又一个方面，提供了一种多孔薄膜，该薄膜具有良好的太阳光吸收性能，和高的光热转化效率，且性能稳定，在水中可自漂浮。可实现海水高效脱盐。
所述多孔薄膜，其特征在于，由含有铝钛氧化物太阳光吸收材料和聚合物的原料成膜得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料选自上述的铝钛氧化物太阳光吸收材料、根据上述方法制备得到的铝钛氧化物太阳光吸收材料中的至少一种。
优选地，所述聚合物是聚偏二氟乙烯(简称为PVDF)。
优选地，所述原料由铝钛氧化物太阳光吸收材料和质量浓度为1％～15％的PVDF的N,N-二甲基甲酰胺(简称DMF)溶液混合得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料与PVDF的质量比为1～10：1。优选地，所述铝钛氧化物太阳光吸收材料与PVDF的质量比为1～9：1。
优选地，所述多孔薄膜厚度为30～300μm。更优选地，所述多孔薄膜厚度为30～100μm。
优选地，所述多孔薄膜的上表面孔径为50～2000nm，下表面孔径为10～100nm。
进一步优选地，所述多孔薄膜的上表面孔径为500～2000nm，下表面孔径为40～100nm。
优选地，PVDF的DMF溶液的配置方法为将PVDF粉体溶于DMF中搅拌24h以上形成透明溶液。
优选地，所述多孔薄膜可自漂浮在水面。
根据本申请的又一个方面，提供了一种多孔薄膜的制备方法，该方法原料易得、廉价，工艺简单、环保、易于工业化。
所述制备多孔薄膜的方法，其特征在于，至少包括以下步骤；
将含有铝钛氧化物太阳光吸收材料和聚合物的原料涂布在平面上后，浸入水中不少于1min成膜，即得所述多孔薄膜。
根据一种具体的实施方式，所述多孔薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备PVDF的DMF溶液
PVDF的质量分数为5％-15％，如称取5-15g PVDF粉体溶于90ml DMF中搅拌24h以上形成透明溶液；
(2)制备铝钛氧化物太阳光吸收材料粉体PVDF浆料
以铝钛氧化物太阳光吸收材料粉体与PVDF粉体质量比为0.1～0.9比例配比，如先称取0.1g-0.9g铝钛氧化物太阳光吸收材料粉体，再量取1ml PVDF浆料，混合获得铝钛氧化物太阳光吸收材料PVDF泥浆；
(3)成膜
将铝钛氧化物太阳光吸收材料PVDF泥浆平铺于一平面上，随后将平铺了铝钛氧化物太阳光吸收材料PVDF泥浆的平面沉浸在清水中，清水要覆盖铝钛氧化物太阳光吸收材料PVDF泥浆，随后多孔薄膜即可形成并可从平面上剥离下来。将多孔薄膜清洗晾干即可使用。
根据本申请的又一个方面，提供了一种所述的铝钛氧化物太阳光吸收材料、根据所述方法制备得到的铝钛氧化物太阳光吸收材料、所述的多孔薄膜、根据所述制备方法得到的多孔薄膜在光热海水脱盐中的应用。
本申请中，N,N-二甲基甲酰胺简称为DMF。
本申请中，聚偏氟乙烯简称为PVDF。
本申请中，TiO2的原料选自钛白粉。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的铝钛氧化物太阳光吸收材料，具有高效吸收光和高效光热转化率，太阳光吸收效率能达90％以上。
2)本申请所提供的铝钛氧化物太阳光吸收材料的制备方法，该方法的原材料廉价，方法简易、环保。
3)本申请所提供的多孔薄膜，具有良好的太阳光吸收性能，和高的光热转化效率，且性能稳定，在水中可以自漂浮，可实现海水高效脱盐。脱盐效率达77％以上，被脱盐的海水盐度急剧降低。
4)本申请所提供的多孔薄膜的制备方法原料易得、廉价，工艺简单、环保、易于工业化。
附图说明
图1为对比样D1#、纯TiO2粉末、样品1#-8#、样品12#-19#的水溶液，和纯铝粉、样品20#。
图2为对比样和样品1#-8#的紫外-可见-近红外漫反射光谱图。
图3为样品12#-20#的紫外-可见-近红外漫反射光谱图。
图4为纯的PVDF多孔膜、DTF、TF1#～TF20#图片。
图5为纯水对比、纯PVDF多孔薄膜、DTF、TF1#、TF5#～TF11#的水蒸发速率图。
图6为多孔薄膜TF8#的截面的扫描电镜图。
图7为多孔薄膜TF8#的上表面的扫描电镜图。
图8为多孔薄膜TF8#的下表面的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和试剂通过商业途径购买，其中，所述的氧化钛的晶型为锐钛型，平均粒径为30～60nm，纯度为分析纯；铝粉的粒度为200目，纯度为分析纯。
本申请的实施例中实验/分析方法如下：
利用南京南大仪器有限公司QM-3SP04型号的球磨机进行球磨。
利用PerkinElmer(美国铂金埃尔默)公司Lambda 950型号的紫外可见近红外分光光度计仪器对样品进行紫外-可见-近红外漫反射光谱分析。
利用SHIMADZU(日本岛津)公司AUW120D型号的电子天平仪器对样品进行水蒸发速率分析。
利用JEOL(日本电子株式会社)公司JSM6700-F型号的场发射扫描电子显微镜仪器对多孔薄膜进行孔径分布观察。
实施例1铝钛氧化物太阳光吸收材料样品1#的制备
称取1.25g TiO2粉末，0.75g铝粉震荡混合，随后倒入球磨机的球磨罐中球磨1h，球磨机的参数为筒体转速为600r/min，球料质量比为：12.5，平均球径为：8mm，进料粒径为：30nm～74mm，出料粒径为：80～150nm，得Al-Ti-O粉体，记为样品1#。
对比例1铝钛氧化物太阳光吸收材料样品D1#的制备
称取1.25g TiO2粉末，0.75g铝粉采用机械搅拌的方式混合均匀，所得样品记为对比样D1#。
实施例2-20铝钛氧化物太阳光吸收材料样品2#～20#的制备
实施例2-20具体制备步骤同实施例1，不同之处在于，按照表1改变原料的用量和配比、球磨参数，实施例2-20制备得到的Al-Ti-O粉体分别记为样品2#-20#。
其中，实施例9制备样品9#、实施例10制备样品10#、实施例11制备样品11#制备条件与实施例7中样品7#的制备条件一样，是重复性考察实验。结果证明，样品9#、样品10#、样品11#的产率、结晶度与样品7#一致，说明本申请所提供的方法具有很高的重复性。
表1
将对比样D1#、纯TiO2粉体、样品1#-8#(由实施例1-8制备)、样品12#-19#(由实施例12-19制备)分散于水中形成浓度为10mg/mL的水溶液，和纯铝粉、样品20#(由实施例20制备)如图1所示。从图1可以看出：1)当控制质量比Al：TiO2＝3:5，调节球磨时间从1小时到50小时，所得样品颜色呈现对比样的浅灰色到灰色直至黑色的分布；2)当球磨时间为5小时，调节Al/(Al+TiO2)的摩尔比n从0.1～0.9，所得样品颜色呈现蓝灰色到黑色的分布，再从黑色到棕色的分布，且当n＝0.4时，样品颜色最黑。
实施例21样品1#-20#的表征
对对比样D1#、样品1#-20#进行了紫外-可见-近红外漫反射测试。以样品1#-8#、12#-20#为典型代表进行测试，对比样1#和样品1#-8#(由实施例1-8制备)的紫外-可见-近红外漫反射光谱图如图2所示，样品12#-20#(由实施例12-20制备)的紫外-可见-近红外漫反射光谱图如图3所示，结果显示本申请所提供的铝钛氧化物太阳光吸收材料，在200nm～2500nm的波长范围内，Al/(Al+TiO2)摩尔比在0.1～0.9：1范围内的样品1#-19#吸收率均高于70％，最高可超过90％。样品20#的吸收率与其他样品相比较，虽然吸收率略低，但是也远超过对比样D1#。
实施例22TF1#的制备
称取0.1g样品1#放于研钵中，量取1mL质量浓度为1％PVDF溶液(DMF为溶剂)滴入研钵中，随后研磨10min得到Al-Ti-O的PVDF泥浆。然后用刮刀将泥浆刮平，使得泥浆平铺于平板玻璃上。随后将平板玻璃完全浸入清水中，1-2min后多孔薄膜即可形成并可从平板玻璃上剥离，最后清洗待用，制备的多孔薄膜记为TF1#。
实施例23多孔薄膜TF2#～TF20#的制备
具体制备步骤同实施例22，不同之处在于，按照表2改变原料的用量和配比，实施例23-41制备得到的多孔薄膜分别记为样品TF2#-20#。
对比例2 PVDF多孔薄膜的制备
具体制备步骤同实施例22，不同之处在于，不添加样品1#，得到纯的PVDF多孔薄膜。
对比例3对比样多孔薄膜的制备
具体制备步骤同实施22，不同之处在于，将样品1#替换为对比样D1#，得到多孔薄膜记为DTF。
表2
纯的PVDF多孔膜，对比多孔薄膜DTF(对应图中“对比样”)、多孔薄膜TF1#～TF20#如图4所示。由图4可以看出：当薄膜制备过程中加入所制备的粉体样品其薄膜的颜色呈现与图1所示结论一致的结果。
实施例24多孔薄膜TF1#～TF20#的表征
将制备的TF1#～TF20#、纯PVDF多孔薄膜、对比多孔薄膜DTF进行水蒸发速率的表征。以多孔薄膜TF1#，多孔薄膜TF5#～TF11#为典型代表，纯水对比、纯PVDF多孔薄膜、对比多孔薄膜DTF和多孔薄膜TF1#，多孔薄膜TF5#～TF11#的水蒸发速率结果如图5所示。由图5可以看出：1)所有含有薄膜样品相对于没有薄膜的情况水蒸发效率均有提升；2)多孔薄膜DTF、TF1#、TF5#、TF6#、TF7#、TF8#对比可看出球磨时间更长(时间在20h内，超过20h提升不明显)的粉末样品所制备的多孔薄膜具有更高的光热蒸发水效率；3)多孔薄膜TF9#、TF10#、TF11#对比说明膜含实施例7的样品量越多，其光热水蒸发效率越高。
对制备的多孔薄膜TF1#～TF20#进行厚度和比表面积的测试，测试结果如表2所示。
以多孔薄膜TF8#为典型代表，多孔薄膜TF8#的截面扫描电镜图如图6所示，多孔薄膜TF8#的上表面的扫描电镜图如图7所示，多孔薄膜TF8#的下表面的扫描电镜图如图8所示。由图可以看出，多孔薄膜含有丰富的孔隙结构。
多孔薄膜TF1#～TF20#应用于太阳光光热海水脱盐领域，在太阳光密度为1000W·m-2情况下，测试光热脱盐效率如表2所示，光热脱盐效率可达77％以上，被脱盐的海水盐度可急剧降低。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种铝钛氧化物太阳光吸收材料，其特征在于，由含有铝和TiO2的原料制备得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料中Al元素摩尔数与(Al元素与Ti元素摩尔数之和)的比值为：
Al/(Al+Ti)＝0.05～0.95：1。
2.根据权利要求1所述的铝钛氧化物太阳光吸收材料，其特征在于，当太阳光密度为1000W·m-2，所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的光热脱盐效率≥75％；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的太阳光吸收效率≥90％。
3.权利要求1或2所述铝钛氧化物太阳光吸收材料的制备方法，其特征在于，将含有铝和TiO2的原料通过碰撞反应制备得到。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：将含有铝粉和TiO2粉的原料研磨不少于1小时，即得所述铝钛氧化物太阳光吸收材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述研磨的方式为在球磨机中球磨；
所述球磨的参数为：筒体转速为100～600r/min；
球料质量比为：6～50；
平均球径为：1～10mm；
进料粒径为：30nm～74mm；
出料粒径为：80nm～1.5μm。
6.一种多孔薄膜，其特征在于，由含有铝钛氧化物太阳光吸收材料和聚合物的原料成膜得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料选自权利要求1或2所述的铝钛氧化物太阳光吸收材料、根据权利要求3至5任一项所述方法制备得到的铝钛氧化物太阳光吸收材料中的至少一种；
优选地，所述聚合物是聚偏二氟乙烯。
7.根据权利要求6所述的多孔薄膜，其特征在于，所述原料由铝钛氧化物太阳光吸收材料和聚偏二氟乙烯的N,N-二甲基甲酰胺溶液混合得到；
所述铝钛氧化物太阳光吸收材料与聚偏二氟乙烯的质量比为1～10：1。
8.根据权利要求6所述的多孔薄膜，其特征在于，所述多孔薄膜厚度为30～300μm；
所述多孔薄膜的上表面孔径为50～2000nm，下表面孔径为10～100nm。
9.制备权利要求6至8任一项所述多孔薄膜的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
将含有铝钛氧化物太阳光吸收材料和聚合物的原料涂布在平面上后，浸入水中不少于1min成膜，即得所述多孔薄膜。
10.权利要求1或2所述的铝钛氧化物太阳光吸收材料、根据权利要求3至5任一项所述方法制备得到的铝钛氧化物太阳光吸收材料、权利要求6至8任一项所述的多孔薄膜、根据权利要求9制备得到的多孔薄膜在光热海水脱盐中的应用。
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