CN110030743A - 一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法及应用。本发明以生物质为原料，经预处理、高温制备生物质基碳材料；将生物质基碳粉末分散于MOFs前驱体溶液中，制备MOFs/生物质基碳复合光热转换材料；将其均匀分散于包裹滤纸或无纺布的聚合物泡沫的上表层，得到能浮于水表面的光吸收器，然后进行界面光热转换获取太阳能蒸馏水。该方法利用MOFs对生物质基碳的亲水性改性制备光热转换材料，该复合光热转换材料为光热转换材料，绝热材料隔水隔热，滤纸或无纺布传输水，可简单快速重复获取太阳能蒸馏水，有望成为解决淡水资源短缺的一种有效措施，同时还能为生物质的高附加值应用提供思路。

Description

一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材 料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及光热转换领域，特别是涉及一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法及应用。
背景技术
太阳能作为地球上最丰富的可再生清洁资源，近年应用最多的是光电转换、光热转换。由于淡水资源的短缺，其中利用太阳能光热转换进行水蒸发获取淡水成为一种趋势。传统的太阳能水蒸发技术，通常是利用太阳光对水直接加热，光热转换效率不高，淡水获得量极少。随着材料技术的发展，具有光热转换性能的等离子体纳米材料、碳基材料、仿生材料等被用于太阳能水蒸发中。这些材料通常采用两种方式：（1）分散于水中进行局部光热转换；（2）漂浮于水面进行界面光热转换。局部光热转换由于材料分散于水体，光转换的热直接传到周围水体，造成热量损失，另外还需要加热整个水体。界面光热转换可有效避免光转换的热直接传到水体，显著提高了光热转换效率，因此采用这种方式进行蒸发水获取淡水资源成为了发展趋势。
为了适用实际应用，材料的光热转换效率与成本效益必须兼顾。生物质基碳材料由于其具有成本低、光吸收率高、结构稳定等优点，备受关注。然而，大多数仍然存在亲水性差的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法，将亲水性好结构稳定的MOFs与生物质基碳复合，改善碳材料的亲水性。将MOFs/生物质基碳复合光热转换材料置于以包裹滤纸或无纺布的绝热材料为支撑体的上表面，作为太阳能吸收器。利用氙灯模拟太阳光，直接照射在漂浮在水的表面的太阳能吸收器上进行界面光热转换，以滤纸或无纺布传输水，绝热材料降低热损失，进而提高光热转换效率，增加水蒸发速率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）以生物质为原料，进行去杂质、洗涤、干燥，预处理或直接在气体中进行高温处理碳化，制备生物质基碳材料；
（2）将生物质基碳材料分散于MOFs前驱体溶液中，制备MOFs/生物质基碳复合光热转换材料。
优选地，步骤（1）中，生物质包括废弃农作物丝瓜瓤、大豆秸秆或竹竿。
优选地，步骤（1）中，预处理是通过不同浓度的HCl溶液或KOH溶液浸泡处理。
优选地，步骤（1）中，高温处理碳化的温度为400℃~1000℃，时间为1h ~3h，气体可以是氮气、氩气或二氧化碳。
优选地，步骤（2）中前驱体溶液为亲水性结构稳定的MOF801、ZIF8、MOF303或MOF841。
步骤（1）的具体步骤为：将丝瓜原料去表皮，去除籽，蒸馏水洗净，干燥，并将其截成3~4cm的长度，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃ min-1的升温速率升至800℃，保温2h将至室温，干燥后得到丝瓜瓤基碳材料，并研磨成粉末状。
步骤（2）的具体步骤为：将摩尔比 1：1 ZrOCl2 .8H2O和富马酸加入到甲酸与N,N-二甲基甲酰胺溶液中制成前驱体溶液，取0.2~1 mg的丝瓜瓤基碳粉末材料分散于20~100 ml的MOF801的前驱体的溶液中，在不同温度的恒温水浴中经磁力搅拌6~10 h，洗涤真空干燥后，得到MOF801/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料。
本发明同时公开了上述所述的制备方法制备的复合光热转换材料。
上述所述的复合光热转换材料在太阳能吸收器上的应用，以绝热材料作为隔热隔水材料，将滤纸或无纺布包裹绝热材料，MOFs/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成浮于水面的光吸收器。
优选地，包裹滤纸或无纺布直径为4cm厚度为2cm聚合物圆形泡沫，将20 mg MOFs/生物质基碳粉末分散其上表层。制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50ml的烧杯中，放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用模拟太阳光垂直照射在太阳能吸收器上，时间为1h，环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃，水蒸发速率为3.8253 kg·m-2·h-1。用氙灯模拟太阳光，光强度为1kW/m2 ~10 kW/m2。
有益效果
1、本发明以丝瓜瓤、玉米秸秆、竹竿等生物质为前驱体，制备生物质基碳材料，并复合亲水性好结构稳定的MOFs改善其亲水性能。
2、本发明以MOFs/生物质基碳材料为光热转换材料，绝热材料为隔热隔水，滤纸或无纺布包裹在绝热材料外面传输水，上表层均匀分散光热转换材料，制成光吸收器。这一设计使得光吸收器能够浮于水面之上，利用界面光热转换，能充分利用转换的热能，提高太阳能利用率，加快蒸发速率，水蒸发速率为3.8253 kg·m-2·h-1。
附图说明
图1为光吸收器的侧视图；
图2为实施例1丝瓜瓤基碳材料的SEM图；
图3为MOFs/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料的SEM图；
图4为实施例1和对比例1中材料的水蒸发量随时间的变化曲线；
图5为实施例1光吸收器上层温度随时间的变化曲线；
图6为实施例2制备的竹竿基碳材料的SEM图；
图7为实施例2制备的复合材料的SEM图；
图8为实施例2、对比例2和对比例3中水蒸发量随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
（1）将丝瓜瓤去除外表皮和籽，用蒸馏水浸泡洗涤去除杂质，经干燥、切成长度大小一致（3-4cm），放入瓷舟置于管式炉中，通入N2，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温2h随后冷却至室温，得到丝瓜瓤基碳材料（材料的SEM图如图2）。2mmol ZrOCl2.8H2O和2mmol富马酸（摩尔比 1:1）， 10ml甲酸与20ml N,N-二甲基甲酰胺的溶液取0.2 ~1 mg的丝瓜瓤基碳粉末材料分散于20~100 ml 的MOF801的前驱体的溶液中，在不同温度的恒温水浴中经磁力搅拌6~10 h，甲醇洗涤，60℃真空干燥24h后，得到MOF801/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料。
（3）将滤纸包裹的直径为4cm厚度为2cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫，并将20 mgMOF801/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50 ml的烧杯中，烧杯置于与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在光吸收器上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃。
对比例1
将滤纸包裹的直径为4cm厚度为2cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫，并20 mg丝瓜瓤基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50ml的烧杯中，烧杯置于与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在光吸收器上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃。
性能测试1
分别对比实施例1、对比例1中水蒸发量随时间的变化的数据进行分析，如图4可知，在强度为1 kW/m2的氙灯光源下照射1 h时，碳材料、MOF801/丝瓜瓤基碳材料，它们的水蒸发量分别为0.9807g和1.7951g，即水蒸发速率为0.7891kg·m-2·h-1和1.4289 kg·m-2·h-1。实验数据表明单纯的水在单位面积和时间内蒸发量很少，碳材料可明显提高蒸发量，但是MOF801改性的丝瓜瓤基碳复合光热转换材料水蒸发量提高更多。
实施例2
（1）将获得的竹竿截取成2cm的小段，用蒸馏水清洗干净，80℃干燥24小时。用6mol/L的KOH溶液浸泡24h，再经过80℃干燥，放入瓷舟置于管式炉中，通入N2，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温2h随后冷却至室温，得到竹竿基碳材料（材料的SEM如图6）。将2mmol醋酸锌和2mmol 2-甲基咪唑加入到50ml N,N-二甲基甲酰胺溶液中制成液前驱体溶液，取0.2g的竹竿基碳粉末材料分散于50ml 的ZIF8的前驱体的溶液中，混合溶液加入100毫升水热反应釜，在干燥箱中160℃恒温8小时，甲醇洗涤3次，60℃真空干燥后，得到ZIF8/竹竿基碳复合光热转换材料（材料的SEM如图7）。
（3）将滤纸包裹的直径为4cm厚度为2cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫，并20mg MOFs/竹竿基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50ml的烧杯中，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在光吸收器上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃。
对比例2
将滤纸包裹的直径为4cm厚度为2cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫，并20 mg ZIF8分散于上表层，制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50ml的烧杯中，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在光吸收器上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃。
对比例3
将滤纸包裹的直径为4cm厚度为2cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫，并20 mg竹竿基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成光吸收器，并将其置于装有自来水的50ml的烧杯中，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在光吸收器上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40%，自来水温度为25℃。
性能测试2
分别对比实施例2、对比例2和对比例3中水蒸发量随时间的变化的数据进行分析，如图8可知，在强度为1 kW/m2的氙灯光源下照射1 h时，ZIF8、竹竿基碳材料、ZIF8/竹竿基碳材料，它们的水蒸发量分别为0.7745g、1.7016g和1.8434g，即水蒸发速率为0.6163 kg·m-2·h-1、1.3543 kg·m-2·h-1和1.4671 kg·m-2·h-1。实验数据表明单纯的ZIF8和竹竿基碳材料在单位面积和时间内蒸发量很少，然而ZIF8改性的竹竿基碳复合光热转换材料水蒸发量提高最多。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于界面光热转换的MOFs/生物质基碳复合光热转换材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以生物质为原料，进行洗涤、干燥，经过预处理或直接在气体中进行高温处理碳化，制备生物质基碳材料；
（2）将生物质基碳材料分散于MOFs前驱体溶液中，制备MOFs/生物质基碳复合光热转换材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，生物质包括废弃农作物丝瓜瓤、大豆秸秆或竹竿。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，预处理是通过稀酸或稀碱溶液处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，高温处理碳化的温度为400℃~1000℃,时间为1h ~3h，气体可以是氮气、氩气或二氧化碳。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中前驱体溶液为亲水性结构稳定的MOF801、ZIF8、MOF303或MOF841。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）的具体步骤为：将丝瓜原料去表皮，去除籽，蒸馏水洗净，干燥，并将其截成3~4cm的长度，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃ min-1的升温速率升至800℃，保温2h将至室温，干燥后得到丝瓜瓤基碳材料，并研磨成粉末状。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）的具体步骤为：将摩尔比 1：1ZrOCl2 .8H2O和富马酸加入到甲酸与N,N-二甲基甲酰胺溶液中制成前驱体溶液，取0.2 ~1mg的丝瓜瓤基碳粉末材料分散于20~100 ml 的MOF801的前驱体的溶液中，在不同温度的恒温水浴中经磁力搅拌6~10 h，洗涤真空干燥后，得到MOF801/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料。
8.一种权利要求1所述的制备方法制备的复合光热转换材料。
9.一种权利要求8所述的复合光热转换材料在太阳能吸收器上的应用，以绝热材料作为隔热隔水材料，将滤纸或无纺布包裹绝热材料，MOFs/丝瓜瓤基碳复合光热转换材料均匀分散于上表层，制成可浮于水面的光吸收器。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将包裹滤纸或无纺布的直径为3~10cm厚度为0.5~3cm聚苯乙烯或聚氨酯聚合物圆柱形泡沫，将6~100 mg MOFs/生物质基碳粉末均匀分散于包裹滤纸或无纺布的聚合物泡沫的上表面，制成光吸收器，并将其置于装有水的容器中。
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