CN109266315B - 一种碳点基光热转化材料的制备方法 - Google Patents

一种碳点基光热转化材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种在木头的微观孔道内碳点基光热转化材料的制备方法，该方法用木材作为光热转化材料的多孔载体，经过7个步骤制备获得碳点基光热转化材料。采用本发明公开方法得到的光热转化材料驱动太阳能蒸发水的性能优于已报道的贵金属及半导体纳米颗粒、碳纳米管与石墨烯类光热转化材料，具有能吸收紫外‑可见‑红外整个太阳光谱的光，碳点基光热转化材料可反复利用等优点。

Description

一种碳点基光热转化材料的制备方法
技术领域
本发明属于能源利用及纳米材料技术领域，具体涉及一种碳点基光热转化材料的制备方法。
背景技术
淡水是人类赖以生存的保障，但是地球上的淡水资源却极为短缺，因而人们希望通过海水淡化、污水清洁处理等技术来解决这一问题。因此，利用取之不尽、用之不竭的太阳能，采用光-热转化蒸发水的方式纯化污水或淡化海水成为当前最经济和节能的技术。太阳能驱动水蒸发技术的关键是要有高效的光热转化材料并能降低或消除蒸发过程的热损失，以实现高效率的太阳能利用。通常，当太阳能直接照射在水面气化水时，因为热量流失到周围环境中，大量能量会被浪费掉了，因此，太阳能-水蒸气的效率非常低。当有光热转化材料作为媒介时，太阳能的光能会快速转化为热能，从而使固液界面水快速蒸发，使得太阳能-水蒸气的效率大幅提升。目前，已发展的光热转化材料有贵金属纳米颗粒、半导体纳米结构、碳质纳米材料(如石墨烯及其氧化物、碳纳米管)及其它们的复合结构等。这些材料不仅制备成本高，而且在太阳光照射下水的蒸发率及太阳能的转化效率仍比较低。因此，开发低成本、稳定的并具有高效太阳能-水蒸汽效率的光热转化材料仍是当前该领域内的紧迫技术问题。
荧光碳点不仅制备低成本、绿色，而且含有丰富的表面官能团。随着溶剂的减少，碳点通过表面官能团的相互作用可以实现组装。因为碳点的能带结构主要决定于表面态，其颗粒间的组装会诱发新的界面态，所以会导致能带结构发生改变，促使非辐射复合概率增加，从而有利于吸收的光能以热能形式释放。此外，从在晶体结构上看，由细小的碳点形成的组装体为长程无序结构，与结晶好的石墨烯、碳纳米管等相比，具有更好的绝热性，从而利于减少热能在材料内部的消耗，作为光热转化材料更具有优势。
多孔结构通过毛细作用能把液态水源源不断抽送到孔道内的热源区域，实现局部区域快速加热的目的，从而有利于驱动太阳能蒸发水，提高太阳能的利用效率。树木在生长过程中需要微观通道传输离子、水等物质，所以木材本身就具有天然的微观竖直孔道。木材是一种绿色、可再生资源，用它作为光热转化材料的多孔载体不仅可极大降低生产成本，而且因其低的导热系数还能进一步降低太阳能-水蒸气过程中的热能损耗。
发明内容
本发明提供了一种在木头的微观孔道内碳点基光热转化材料的制备方法，该方法用木材作为光热转化材料的多孔载体，不仅可极大降低生产成本，而且进一步降低了太阳能-水蒸气过程中的热能损耗。
一种碳点基光热转化材料的制备方法采用以下步骤：
步骤1把干燥的木材沿垂直生长方向加工成厚度为5-6mm的木片，然后将木片放入0.8-1.3mol/L的次氯酸钠溶液内，在30-40℃浸泡60-80min；
步骤2配置氢氧化钠和双氧水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钠的浓度为1.2-2.0mol/L，双氧水的浓度为3.4-4.0mol/L；
步骤3把步骤1处理后的木片浸入到步骤2配置好的混合溶液内，在70-85℃下用28KHz超声波处理60-80min；
步骤4将步骤3处理后的木片取出，在室温下将其放入去离子水中用28KHz超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，更换新的去离子水，多次清洗，直至清洗后去离子水的pH＝7-8，再冷冻干燥12小时以上去除木片内的水分；
步骤5配置乙醇与乙二醇混合溶剂，乙醇与乙二醇的体积比为1.1-0.6；
步骤6把碳点粉分散到步骤5配置的混合溶剂内获得碳点溶液，碳点溶液的碳点浓度为25-50g/L；
步骤7把步骤4处理后的木片浸泡在步骤6获得的碳点溶液内，用28KHz超声波处理50-70min后，把木片放入真空炉或有惰性气体保护的炉内，然后以3-5℃/min的速度加热到200℃并保温30-60min，最终得到碳点基光热转化材料。
所述的木材为巴尔杉木、杨木、柏木或杉木。
所述的碳点粉是通过氧化刻蚀煤质沥青、炭黑、活性炭等制备的碳点粉。
本发明公开的在木头的微观孔道内碳点基光热转化材料的制备方法得到的光热转化材料驱动太阳能蒸发水的性能优于已报道的贵金属及半导体纳米颗粒、碳纳米管与石墨烯类光热转化材料，具有能吸收紫外-可见-红外整个太阳光谱的光，碳点基光热转化材料可反复利用等优点。
附图说明
图1为采用本发明方法制备的碳点基光热转化材料的俯视扫描电镜照片；
图2为采用本发明方法制备的碳点基光热转化材料的纵向剖面扫描电镜照片；
图3为采用本发明方法制备的碳点基光热转化材料的光吸收谱；
图4为在1个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备碳点基光热转化材料的水的蒸发量随光照时间变化的关系；
图5为采用本发明方法制备的碳点基光热转化材料驱动太阳能蒸发水的稳定性。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
一种碳点基光热转化材料的制备方法采用以下步骤：
步骤1把干燥的木材沿垂直生长方向加工成厚度为5-6mm的木片，然后将木片放入0.8-1.3mol/L的次氯酸钠溶液内，在30-40℃浸泡60-80min；
步骤2配置氢氧化钠和双氧水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钠的浓度为1.2-2.0mol/L，双氧水的浓度为3.4-4.0mol/L；
步骤3把步骤1处理后的木片浸入到步骤2配置好的混合溶液内，在70-85℃下用28KHz超声波处理60-80min；
步骤4将步骤3处理后的木片取出，在室温下将其放入去离子水中用28KHz超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，更换新的去离子水，多次清洗，直至清洗后去离子水的pH＝7-8，再冷冻干燥12小时以上去除木片内的水分；
步骤5配置乙醇与乙二醇混合溶剂，乙醇与乙二醇的体积比为1.1-0.6；
步骤6把碳点粉分散到步骤5配置的混合溶剂内获得碳点溶液，碳点溶液的碳点浓度为25-50g/L；
步骤7把步骤4处理后的木片浸泡在步骤6获得的碳点溶液内，用28KHz超声波处理50-70min后，把木片放入真空炉或有惰性气体保护的炉内，然后以3-5℃/min的速度加热到200℃并保温30-60min，最终得到碳点基光热转化材料。
所述的木材为巴尔杉木、杨木、柏木或杉木。
所述的碳点粉是通过氧化刻蚀煤质沥青、炭黑、活性炭等制备的碳点粉。
对采用上述步骤制备的碳点基光热转化材料在1个标准太阳光(1kW/m2)照射下，碳点基光热转化材料的水蒸发率为2.1-2.5kg/m2h。
利用以下现有的太阳能转化效率公式(1)计算，采用上述步骤制备出的碳点基光热转化材料的太阳能转化效率超过了92％。
Figure BDA0001832138240000051
式中η代表太阳能转化效率，m为水的蒸发量,ΔHv为标准大气压下水的汽化潜热，copt为光学浓度，q0为1个标准太阳光强度。
实施例1
一种碳点基光热转化材料的制备方法采用以下步骤：
步骤1把干燥的木材沿垂直生长方向加工成厚度为5mm的木片，然后将木片放入1mol/L的次氯酸钠溶液内，在40℃浸泡70min；
步骤2配置氢氧化钠和双氧水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钠的浓度为1.5mol/L，双氧水的浓度为3.6mol/L；
步骤3把步骤1处理后的木片浸入到步骤2配置好的混合溶液内，在80℃下用28KHz超声波处理70min；
步骤4将步骤3处理后的木片取出，在室温下将其放入去离子水中用28KHz超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，更换新的去离子水，多次清洗，直至清洗后去离子水的pH＝7-8，再冷冻干燥12小时以上去除木片内的水分；
步骤5配置乙醇与乙二醇混合溶剂，乙醇与乙二醇的体积比为0.8；
步骤6把碳点粉分散到步骤5配置的混合溶剂内获得碳点溶液，碳点溶液的碳点浓度为35g/L；
步骤7把步骤4处理后的木片浸泡在步骤6获得的碳点溶液内，用28KHz超声波处理60min后，把木片放入真空炉或有惰性气体保护的炉内，然后以4℃/min的速度加热到200℃并保温50min，最终得到碳点基光热转化材料。
采用本发明方法得到的碳点基光热转化材料驱动太阳能蒸发水的性能明显优于已报道的贵金属及半导体纳米颗粒、碳纳米管与石墨烯类光热转化材料。
对实施例1制备获得的碳点基光热转化材料进行扫描电镜观察，其俯视和纵向剖面扫描电镜照片如图1和图2所示，从图中可以看出碳点组装在了木片中的微观孔道内，形成了多孔的碳点基复合结构。
扫描本发明方法制备的碳点基光热转化材料的光吸收谱，如图3所示，从图中可以看出碳点基光热转化材料能吸收紫外-可见-红外整个太阳光谱的光。
图4为1个标准太阳光照射下，本发明方法制备的碳点基光热转化材料水的蒸发量随光照时间变化的关系，通过拟合直线的斜率可计算出该碳点基光热转化材料的水蒸发率为2.28kg/m2h。
本发明方法制备的碳点基光热转化材料的稳定性评价如图5所示，从图中可以看出重复利用四次后，碳点基光热转化材料的水蒸发率没有明显的减小，表明碳点基光热转化材料可反复利用。

Claims (3)

1.一种碳点基光热转化材料的制备方法，其特征在于：采用以下步骤：
步骤1)把干燥的木材沿垂直生长方向加工成厚度为5-6mm的木片，然后将木片放入0.8-1.3mol/L的次氯酸钠溶液内，在30-40℃浸泡60-80min；
步骤2)配置氢氧化钠和双氧水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钠的浓度为1.2-2.0mol/L，双氧水的浓度为3.4-4.0mol/L；
步骤3)把步骤1处理后的木片浸入到步骤2配置好的混合溶液内，在70-85℃下用28KHz超声波处理60-80min；
步骤4)将步骤3处理后的木片取出，在室温下将其放入去离子水中用28KHz超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，更换新的去离子水，多次清洗，直至清洗后去离子水的pH＝7-8，再冷冻干燥12小时以上去除木片内的水分；
步骤5)配置乙醇与乙二醇混合溶剂，乙醇与乙二醇的体积比为1.1-0.6；
步骤6)把碳点粉分散到步骤5配置的混合溶剂内获得碳点溶液，碳点溶液的碳点浓度为25-50g/L；
步骤7)把步骤4处理后的木片浸泡在步骤6获得的碳点溶液内，用28KHz超声波处理50-70min后，把木片放入真空炉或有惰性气体保护的炉内，然后以3-5℃/min的速度加热到200℃并保温30-60min，最终得到碳点基光热转化材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳点基光热转化材料的制备方法，其特征在于：所述的木材为杉木、杨木或柏木。
3.根据权利要求1所述的一种碳点基光热转化材料的制备方法，其特征在于：所述的碳点粉是通过氧化刻蚀煤质沥青、炭黑、活性炭制备的碳点粉。
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