CN110090603B - 一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：1)将MAX粉末和石墨粉分别进行化学法剥离，分别得到MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液；2)将所述MXene水分散溶液、氧化石墨烯水分散溶液与海藻酸钠水分散溶液进行搅拌混合，得到混合凝胶溶液；3)将所述混合凝胶溶液进行定向冷冻干燥处理，得到未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶；4)将所述未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶添加离子交联剂进行离子交联，再次冷冻干燥，即可得到交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。另外，还提供了使用上述方法制备的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶及其在太阳能蒸汽产生领域、海水淡化、污水净化、油水分离、杀菌消毒领域中的应用。

Description

一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光热转化材料技术领域，具体涉及一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用
背景技术
近几年，随着能源危机、环境污染、水资源匮乏等重大问题亟待解决。太阳能由于其来源广泛、储量充足、绿色清洁的众多优势，成为可再生能源利用领域的研究热点。众所周知，地球上71％的面积被水所覆盖，其中海水总量为1338×10亿立方米，约占全球总水量的96.5％。而在余下的水量中地表水占1.78％，地下水占1.69％。人类能够主要利用的淡水资源总量约35×10亿立方米，在全球总储水量中仅占2.53％。它们少部分分布在湖泊、河流、土壤和地表以下浅层地下水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式储存，无法直接被用于人类生产生活。因此，开发具有快速高效，节能减排，多功能的水处理技术有利于未来水资源的开发和再次利用。
相较于传统的体块加热途径,由于较大的光学损耗和热能损耗导致其蒸汽效率较低(30％-50％),因此极大地限制了太阳能蒸汽技术的发展和利用。通过制备具有高效太阳能光热转化材料，将太阳能转化为热能，进而将水的蒸发行为限制在水-空气的界面处，形成“太阳能界面蒸汽”的新模式，从而加速水体蒸发，实现从海水、污水、废水等多种形式的水体获取高价值的淡水资源和蒸汽能。这为太阳能的可持续利用，比如从大规模太阳能发电、海水淡化到小规模的离网消毒等实际应用提供了新途径。因此具备优异的光热转化材料和合理的结构设计可以从根源上提高最终的太阳能界面蒸汽效率，最终推动水资源系统和产业的改善和升级。
常见的用于太阳能蒸汽产生的光热转化材料主要分为两种，一种为含有金属纳米颗粒、碳材料及高分子材料等的纳米流体，另一种为局部加热的光热转化体块材料。与纳米流体相比，光热转化体块材料可以将光照限制在薄膜层而不直接照射下层待加热水体，从而减少了转化的热量由水体向环境中的耗散，提高了最终光热蒸汽转化效率。然而目前该领域所面临的问题是较低的光热转化效率，不足的热量管理途径，不够全面的净化能力和机械性能差等诸多实际缺陷。
MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片。MXene材料的化学式为Mn+1AXn,其中(n＝1-3)，M代表早期过渡金属，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A通常代表第三主族和第四主族化学元素；X代表C或N元素。MXene例如可以是Ti3C2(碳化钛)，Mo2C(碳化钼)，VC(碳化钒)，ZrC(碳化锆)等。在实际操作中，可以通过侵蚀MAX相来制备Mxene，其中，MAX可以是Ti3AlC2，Mo2AlC，ValC，ZrAlC等。刻蚀液中通常含有氟离子，如氢氟酸(HF)、氟化氢铵(NH4HF2)或盐酸(HCl)与氟化锂(LiF)的混合物。例如，在HF水溶液中于室温腐蚀Ti3AlC2，可以选择性地清除A原子(Al)，而碳化物层的表面产生了末端O、OH和(或)F原子。
二维过渡金属碳化物(MXene)由于其丰富的表面化学基团，优异的电学活性，高的纵横比和强的机械性能，在能量存储、分子筛、肿瘤治疗和电磁屏蔽(EMI)等应用领域而备受关注。特别的，MXene(例如Ti3C2)已被证明是一种高效的EMI电磁屏蔽材料，它可以完全吸收和消散电磁辐射能转化为热能。这表明MXene材料将在太阳能领域有巨大的应用潜力，可利用太阳光高效快速地产生界面蒸汽。此外，MXene纳米片的固有亲水性也有利于水的输送和吸附。
发明内容
本发明设计合成了一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。由于MXene材料的刚性过大，不易于组装成三维宏观结构。为了解决该问题，我们引入柔性的氧化石墨烯纳米片(GO)单元和海藻酸钠高分子链(SA)作为连接，将MXene纳米负载在GO纳米片上，通过π-π共轭链接和分子间作用力(氢键，范德华力等)在冰模板的作用下进行自组装行为，形成宏观体块三维多级复合结构。将不添加MXene与氧化石墨烯的单一海藻酸钠层作为物理隔热层，有效增强界面热效应。最后通过整体离子交联的方法，增强该气凝胶的整体机械性能，以应对装置在户外极端条件下的实际应用。
因此，与现有技术中的常规光热转化材料及蒸馏装置相比，本发明提供的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶具有如下优点：(1)以太阳光为唯一驱动源，不需要任何额外能量供应，节能低耗；(2)采用“热局域”策略，将水蒸发行为限制在气凝胶界面处发生，实现热蒸汽产生，快速高效；(3)该气凝胶的制备流程简单，可大规模生产和拓展，简易有效；(4)该气凝胶可适用于各类水净化场景，如海水淡化，污水处理，菌液消毒等，并可重复使用。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将MAX粉末和石墨粉分别进行化学法剥离，分别得到MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液；
2)将所述MXene水分散溶液、氧化石墨烯水分散溶液与海藻酸钠水分散溶液进行搅拌混合，得到混合凝胶溶液；
3)将所述混合凝胶溶液进行冷冻干燥处理，得到未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶；
4)将所述未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶添加离子交联剂进行离子交联，再次进行冷冻干燥处理，即可得到交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体选择或优化选择。
具体的，在步骤1)中所述的MAX粉末的粒径为200-600目，所述石墨粉的粒径为600-10000目，所述MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液的浓度分别为1-10mg/mL。
具体的，在步骤2)中所述海藻酸钠的分子量为4000-10000，海藻酸钠水分散溶液的浓度为1-5mg/mL。其中，海藻酸钠水分散溶液的配制流程如下：取一定质量的白色海藻酸钠粉末，缓慢地加入一定质量的去离子水中，同时通过磁力搅拌进行充分混合，直至溶液呈现无色透明状。
具体的，在步骤2)中所述MXene水分散溶液、氧化石墨烯水分散溶液与海藻酸钠水分散液混合时，分别以溶液的质量比为1:1-5:1进行混合。
具体的，在步骤3)和4)中所述的冷冻干燥处理为将所述混合凝胶溶液在冷冻温度为-90℃--20℃液氮氛围下定向冷冻成固体，然后置于冷冻干燥机中冷冻干燥10-60h。
具体的，在步骤4)中所述离子交联剂为选自浓度为1-10mg/mL的氯化钙水溶液、氯化铝水溶液、氯化铁水溶液、氯化镍水溶液中的一种或几种。并且，步骤2)得到的所述混合凝胶溶液与步骤4)中添加的所述离子交联剂的质量比为1：1-10。
需要说明的是，所述“定向冷冻干燥”中“定向”即表示冷冻方向固定为某一确定方向。具体的，取适量的液氮于保温容器中，将装有混合凝胶溶液的烧杯置于容器的上部，由于液氮逐渐气化，在整个装置竖直方向上形成冷冻温度梯度，冰晶沿垂直方向定向生长。因此，静置一定时间后，混合凝胶溶液沿冰晶垂直生长方向被定向冷冻。
其中，MXene的化学法剥离为：按照HF：MAX＝5-7.5:1的摩尔质量分数比，将MAX粉末缓慢地加入HF(氟化氢)水溶液中，其中HF水溶液浓度为6-9mol/mL,保持溶液温度在35℃,整个剥离过程持续2h。随后，将所获得的溶液用去离子水洗涤离心3次以上，直到溶液pH大于6，将离心所得沉淀物干燥，即为MXene粉末。
其中，氧化石墨烯的化学法剥离为：在冰水浴中装配好反应瓶，加入适量(100-200mL)的浓硫酸，搅拌下加入5-10g的石墨粉和2.5-5g的硝酸钠的固体混合物，再分次加入15-30g的高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应60-90min后，升温到32-40℃左右，继续搅拌30-60min，再缓慢加入200-400mL的去离子水，继续搅拌20-40min后，并加入5％-10％的双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤，并用氯化氢溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止。最后将滤饼置于60-70℃的真空干燥箱中充分干燥，保存备用。
此外，本发明还提供了使用上述MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法制备的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。
具体的，所述MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的密度为0.5～30mg/cm3,热导率为0.2～1.4W/mK,吸光率不低于98％，光热转化效率不低于90.7％。
此外，本发明还提供了上述MXene与氧化石墨烯复合气凝胶在太阳能蒸汽产生领域的用途。
此外，本发明还提供了上述MXene与氧化石墨烯复合气凝胶在海水淡化、污水净化、油水分离、杀菌消毒领域中的用途。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法。根据本发明的实施例，该方法是首先剥离合成MXene与氧化石墨烯混合溶液，通过添加海藻酸钠溶质，得到凝胶溶液，再进行定向冷冻干燥得到未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，随后进行充分的离子交联，再次进行冷冻干燥即可得到所述的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。该气凝胶将转化产生的热能限制于上层，使得太阳能蒸汽发生在界面处，实现了蒸汽层与水体的宏观分离，有效地抑制了热量损失，提高了光热转化效率；通过离子交联，提高了整体的力学性能和抗逆性，拓宽了水净化对象。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明首次制备出MXene与氧化石墨烯复合气凝胶用于高效太阳能界面蒸汽领域。采用柔性的氧化石墨烯纳米片作为支撑，将MXene纳米片通过海藻酸钠分子和分子间作用力进行有效连接，再通过一体化离子交联法，制得高强度的光热转化气凝胶。
2.本发明设计制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置，在全波段太阳光谱的吸收率不低于99％，具有更高的光热转化效率，能够将更好地将吸收的太阳光转化为热能，进而快速高效地进行水蒸气的产生。将太阳光限制在气凝胶上表面，阻断太阳光对下层水体的多余热辐射、热传导等，减少水体向环境耗散而导致的能量损耗，提高光能-热能-蒸汽能的利用率，最终实现在一个太阳光照射下(1kW/m2)，其光热转化效率达到90.7％以上，光热蒸汽蒸发速率达到1.27kg/m2，该性能是目前已发现的MXene基光热材料的最高值。这将有力地证明和实现MXene在太阳能领域的诸多应用。
3.本发明制备的基于MXene与氧化石墨烯气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置实现了高效的光热转化，合理的结构设计和优异的物理化学性质稳定性，极大地拓展了MXenes材料在能源利用中的实际应用。
4.本发明制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置在太阳能高效光热转换领域具有十分重要的应用价值，在太阳光或者人造光源的照射下，可以快速高效地实现水到水蒸气的转换，全方位地实现淡水资源再生和蒸汽能利用。可广泛应用于海水淡化、污水处理、消毒灭菌、太阳能发电等领域。
5.本方法所用试剂易得，无毒无害，工艺也较为简单，产品轻质便携，易大批量生产和实现工业化。
附图说明
图1是MXene与氧化石墨烯复合气凝胶、单一MXene气凝胶、单一氧化石墨烯气凝胶和单一海藻酸钠气凝胶的紫外吸收光谱图。
图2是基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶、单一MXene气凝胶、单一氧化石墨烯气凝胶和单一海藻酸钠气凝胶的太阳能界面蒸汽装置在照射光光强为1kw/m2下的温度变化曲线，持续照射30min后冷却至室温下，太阳能界面蒸汽装置的温度变化。
图3为太阳能蒸汽产生装置在照射光光强为1kw/m2下的不同照射时间下的红外图像。
图4是太阳能蒸汽产生装置在照射光光强为1kw/m2下的不同照射时间下的蒸汽化速率图。
图5是基于图4测得的光热蒸汽速率数据，进一步计算得到的光热蒸汽汽化效率。
图6为制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置应用于海水淡化，净化前后，溶液所含的主要离子浓度图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图及具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，背景为太阳光光谱(250nm-2500nm)，其中无光热转化材料的单一海藻酸钠气凝胶展现出最低的光吸收曲线，相较于单一MXene气凝胶和单一氧化石墨烯气凝胶，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶展现出增强的光吸收性能，实现太阳光全波段的吸收。
由图2可以得出，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶具有最高的表面温度。由此可见，该效应得益于其具有最强的光热转化性能和合理的结构设计，有效地将吸收的光能转化为热能。
如图3所示，氙灯照射初始，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置和无界面光热转化材料的蒸汽装置，其表面温度均为室温(～25℃)。照射30s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶局部迅速升温，达到约35℃，此时纯水体系表面温度尚未产生明显变化。照射60s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，由于优异的表面热传递过程和持续高效产生热量，气凝胶表面温度大面积升高。照射240s后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶表面温度达到最大值，此时约为40℃。在持续照射600s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶表面温度依旧保持在40℃，实现了太阳能界面蒸汽装置的温度动态平衡。与此同时，无光热转化气凝胶的纯水体系的表面温度只有微弱的温度提升，越5℃。由此可见，该装置具有卓越的光热转化性能，将吸收的太阳光高效地转化为热能，且长时间保持了优异的转化性能。
如图4所示，在约30min的照射时间内，纯水的蒸汽化速率约为0.04kg/m2；使用单一海藻酸钠气凝胶的光热蒸汽装置，其装置的蒸汽化速率约为0.26kg/m2，太阳能蒸发速率均较低。在添加光热转化气凝胶后，装置的太阳能界面蒸汽速率得到了大幅提升。具体而言，单一氧化石墨烯气凝胶的蒸汽化速率约为0.88kg/m2；单一MXene气凝胶的蒸汽化速率约为1.02kg/m2；与其余样品相比，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽化速率高达1.27kg/m2,与纯水相比，汽化效率约为纯水的31倍。由此可见，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置的光热蒸汽转化能力最强。
如图5所示，在照射光强为一个太阳的持续照射下，随着光热转化气凝胶的添加，太阳能界面蒸汽装置的光热转化效率逐渐增加，由单一海藻酸钠体系的19％提升71.4％，最终提升至90.7％。与纯水的2.8％相比，体现出卓越的光热转化性能，且该MXene与氧化石墨烯复合气凝胶体系的光热蒸汽性能超过所有MXene基材料光热转化体系。
由图6可得，将配置的模拟海水样品置于烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射30min下，使用基于MXene与氧化石墨烯气凝胶的太阳能界面蒸汽装置进行海水淡化过程。海水淡化前后，原海水中的主要阳离子浓度(Na+,Mg2+,K+,Ca2+,B3+)得到了大幅度的降低，离子去除率大于99.9％，达到世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)，且优于传统膜分离和蒸馏的效果。由此可见，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置在海水淡化、污水处理、消毒灭菌等水处理领域的广阔应用前景。
实施例1
本发明提供了一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法，具体操作步骤如下：
(1)MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液的合成：将MAX粉末和石墨粉分别进行化学法剥离，分别得到2mg/mL的MXene和氧化石墨烯水分散溶液。
(2)MXene与氧化石墨烯混合凝胶溶液的制备：将10mL的MXene水分散溶液，30mL的氧化石墨烯水分散溶液和10mL的2mg/mL的海藻酸钠水分散溶液混合搅拌均匀，得到混合凝胶溶液。
(3)未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶：将步骤(2)中得到的混合凝胶溶液置于-30℃下进行12h冷冻直至成块，再置于冷冻干燥机冷冻干燥12h，得到未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。
(4)交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备：将步骤(3)中得到的未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶置于交联剂氯化钙水溶液中充分进行离子交联。浸泡2h后，将所得气凝胶再次进行冷冻干燥，即可得到最终的交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶。
实施例2
按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将氧化石墨烯溶液去除，其余配置材料种类和比例保持不变，即可得到最终的基于单一MXene气凝胶。
实施例3
按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将MXene溶液去除，其余配置材料种类和比例保持不变，即可得到最终的基于单一氧化石墨烯气凝胶。
实施例4
按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将MXene溶液和氧化石墨烯溶液去除，其余配置材料种类和比例保持不变，即可得到最终的基于单一海藻酸钠气凝胶。
实施例5
按实施例1的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶制备方法，其吸光图谱通过紫外-可见-近红外分光光度计(UV-vis-NIR UV-3600双光束分光光度计，Shimadzu)可得。如图1所示，表征所制备MXene与氧化石墨烯复合气凝胶在紫外区和可见光区大约99％，在近红外区达到接近100％的吸收。
实施例6
按实施例1的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶制备方法，将制得的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置置于含有200mL去离子水的烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的温度变化，绘制温度变化曲线，如图2所示。装置在3000秒的照射下，其温度从初始的室温(16℃)快速升温至约41℃。
实施例7
按实施例2的单一MXene气凝胶制备方法，将制得的基于单一MXene气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置置于含有200mL去离子水的烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的温度变化，绘制温度变化曲线，如图2所示。装置在3000秒的照射下，其温度从初始的室温(16℃)逐步升温至约37℃。
实施例8
按实施例3的单一氧化石墨烯气凝胶制备方法，将制得的基于单一氧化石墨烯气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置置于含有200mL去离子水的烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的温度变化，绘制温度变化曲线，如图2所示。装置在3000秒的照射下，其温度从初始的室温(16℃)逐步升温至约35℃。
实施例9
按实施例4的单一海藻酸钠气凝胶制备方法，将制得的基于单一海藻酸钠气凝胶的太阳能界面蒸汽产生装置置于含有200mL去离子水的烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的温度变化，绘制温度变化曲线，如图2所示。装置在3000秒的照射下，其温度从初始的室温(16℃)缓慢升温至约25℃。
实施例10
按实施例1的制备及组装方法，按实施例6的性能测试方法，使用红外热成像仪拍摄装置在不同照射时间下的红外图像，如图3所示。氙灯照射初始，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置和无界面光热转化材料的蒸汽装置，其表面温度均为室温(～25℃)。照射30s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶局部迅速升温，达到约35℃，此时纯水体系表面温度尚未产生明显变化。照射60s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，由于优异的表面热传递过程和持续高效产生热量，气凝胶表面温度大面积升高。照射240s后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶表面温度达到最大值，此时约为40℃。在持续照射600s之后，MXene与氧化石墨烯复合气凝胶表面温度依旧保持在40℃，实现了太阳能界面蒸汽装置的温度动态平衡。与此同时，无光热转化气凝胶的纯水体系的表面温度只有微弱的温度提升，越5℃。由此可见，该装置具有卓越的光热转化性能，将吸收的太阳光高效地转化为热能，且长时间保持了优异的转化性能。
实施例11
将含有200mL去离子水的烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为0kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制蒸汽化速率变化曲线，如图4所示。装置在3000秒的照射下，其自蒸发蒸汽化速率约为0.04kg/m2。
实施例12
按实施例1的制备及组装方法，将装置放于200mL盛水烧杯中，将烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制蒸汽化速率变化曲线，如图4所示。烧杯在3000秒的照射下，其蒸汽化速率约为1.27kg/m2,与纯水相比，蒸汽化速率约为纯水自蒸发的31.75倍。
实施例13
按实施例2的制备及组装方法，将装置放于200mL盛水烧杯中，将烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制蒸汽化速率变化曲线，如图4所示。装置在3000秒的照射下，其蒸汽化速率量约为1.02kg/m2,与纯水相比，蒸汽化速率约为纯水自蒸发的25.5倍。
实施例14
按实施例3的制备及组装方法，将装置放于200mL盛水烧杯中，将烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制蒸汽化速率变化曲线，如图4所示。装置在3000秒的照射下，其蒸汽化速率约为0.88kg/m2,与纯水相比，蒸汽化速率约为纯水自蒸发的22倍。
实施例15
按实施例4的制备及组装方法，将装置放于200mL盛水烧杯中，将烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为1kW/m2的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制蒸汽化速率变化曲线，如图4所示。装置在3000秒的照射下，其蒸汽化速率约为0.26kg/m2,与纯水相比，蒸汽化速率约为纯水自蒸发的6.5倍。
实施例16
计算并统计实施例11-15中所述含有不同的光热转化气凝胶的蒸汽产生装置的光热转化效率，如图5所示，在光强为一个太阳的照射下，在照射光强为一个太阳的持续照射下，随着光热转化气凝胶的添加，太阳能界面蒸汽装置的光热转化效率逐渐增加，由单一海藻酸钠气凝胶体系的19％提升至71.4％，最终提升至90.7％(基于MXene/与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置)。与纯水的2.8％相比，体现出卓越的光热转化性能。
实施例17
将制备的基于MXene与氧化石墨烯气凝胶的太阳能界面蒸汽装置应用于海水淡化。首先，将配置的模拟海水样品置于烧杯中，在光强为1kW/m2的氙灯照射30min下，使用基于MXene与氧化石墨烯气凝胶的太阳能界面蒸汽装置进行海水淡化过程。图6为净化前后，溶液所含的主要离子浓度图。由图可得，海水淡化前后，原海水中的主要阳离子浓度(Na+,Mg2+,K+,Ca2+,B3+)得到了大幅度的降低，离子去除率大于99.9％。
实施例18
将制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置应用于海水淡化。如图6所示，利用所制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置淡化海水收集得到的水中的盐度低于世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)规定的饮用水盐度标准。由此可见，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置在海水淡化、污水处理、消毒灭菌等水处理领域的广阔应用前景。
实施例19
将制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置应用于海水淡化。如图6所示，利用所制备的基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置淡化海水性能高于传统膜分离和蒸馏的效果。由此可见，基于MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的太阳能界面蒸汽装置在海水淡化、污水处理、消毒灭菌等水处理领域的广阔应用前景。
根据本发明实施例的制备MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，在全波段太阳光谱(250-2500nm)的吸收率不低于99％，具有高的光热转化效率，能够将更好地将吸收的太阳光转化为热能，进而快速高效地进行水蒸气的产生，制备得到的水能够达到世界卫生组织和美国环境保护署规定的饮用水标准，其中离子去除率不低于99％，细菌去除率不低于99％，油水分离率不低于99％，该制备MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的方法简单易行，可大规模生产。
本发明的实施例中，所述待净化的水样为海水、工业废水、河水、湖水、家庭污水、乳液、菌液、有机染液等一种或多种混合液体。在本发明的实施例中，所述水样的污染物浓度包括液体的盐浓度、金属离子浓度、细菌浓度、有机物浓度等一种或多种。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将MAX粉末和石墨粉分别进行化学法剥离，分别得到MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液；
2)将所述MXene水分散溶液、氧化石墨烯水分散溶液与海藻酸钠水分散溶液进行搅拌混合，得到混合凝胶溶液；
3)将所述混合凝胶溶液进行冷冻干燥处理，得到未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶；
4)将所述未交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶添加离子交联剂进行离子交联，再次进行冷冻干燥处理，即可得到交联的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶；
其中，在步骤1)中所述的MAX粉末的粒径为200-600目，所述石墨粉的粒径为600-10000目，所述MXene水分散溶液和氧化石墨烯水分散溶液的浓度分别为1-10mg/mL，在步骤2)中所述海藻酸钠的分子量为4000-10000，海藻酸钠水分散溶液的浓度为1-5mg/mL，所述MXene水分散溶液、氧化石墨烯水分散溶液与海藻酸钠水分散液混合时，分别以溶液的质量比为1:1-5:1进行混合，在步骤4)中所述离子交联剂为选自浓度为1-10mg/mL的氯化钙水溶液、氯化铝水溶液、氯化铁水溶液、氯化镍水溶液中的一种或几种，并且，步骤2)得到的所述混合凝胶溶液与步骤4)中添加的所述离子交联剂的质量比为1：1-10。
2.根据权利要求1所述的一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤3)和4)中所述的冷冻干燥处理为将所述混合凝胶溶液在冷冻温度为-90℃--20℃液氮氛围下定向冷冻成固体，然后置于冷冻干燥机中冷冻干燥10-60h。
3.一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，其特征在于，使用权利要求1或2所述的MXene与氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法制备而成。
4.根据权利要求3所述的一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶，其特征在于，其密度为0.5～30mg/cm3,热导率为0.2～1.4W/mK,吸光率不低于98％，光热转化效率不低于90.7％。
5.根据权利要求3或4所述的一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶在太阳能蒸汽产生领域的用途。
6.根据权利要求3或4所述的一种MXene与氧化石墨烯复合气凝胶在海水淡化、污水净化、油水分离、杀菌消毒领域中的用途。
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110550632B (zh) * 2019-09-29 2021-05-28 西南交通大学 一种MXene/GO杂化气凝胶微球吸波剂及其制备方法
CN110951097B (zh) * 2019-11-29 2022-07-22 扬州大学 用于太阳能光热蒸汽转化的Cu@CuO/CG-aero Janus膜材料及制备方法
KR102364850B1 (ko) * 2019-11-29 2022-02-17 한양대학교 산학협력단 맥신/그래핀 하이브리드 감지부를 포함하는 기체 센서
CN110964233B (zh) * 2019-12-19 2021-02-26 西南交通大学 具有取向结构的氧化石墨烯增强纤维素基材料及制备方法
CN111422873B (zh) * 2020-03-23 2021-09-28 北京化工大学 一种MXene/海藻酸钠衍生碳三维气凝胶及其制备方法和应用
CN111617309B (zh) * 2020-05-08 2021-11-30 北京化工大学常州先进材料研究院 一种抗菌止血海绵及其制备方法
CN111969887B (zh) * 2020-08-24 2021-09-03 合肥工业大学 MXene/CNT离子型电化学驱动器的制备方法、制得的驱动器及应用
CN112409690B (zh) * 2020-11-19 2022-12-27 上海金发科技发展有限公司 一种高熔体强度原位增刚聚丙烯复合材料及其制备方法
CN112520807A (zh) * 2020-12-11 2021-03-19 东莞理工学院 一种漂浮式MXene组装体光热转换材料的制备方法及应用
CN114713149B (zh) * 2021-01-05 2022-12-02 中国科学院理化技术研究所 一种三维多孔硫化铜气凝胶及其制备方法和应用
CN112850710B (zh) * 2021-01-25 2022-04-05 江苏师范大学 一种利用蒸汽剥离技术制备单层Mxene纳米片的方法
CN112724427B (zh) * 2021-01-29 2022-09-13 西北师范大学 一种玉米淀粉/海藻酸钠/MXene复合水凝胶的制备及在海水淡化中的应用
CN112871135A (zh) * 2021-01-29 2021-06-01 北京林业大学 一种氧化石墨烯和MXene共掺杂纤维素基碳气凝胶的制备方法及应用
CN113285070B (zh) * 2021-04-30 2024-05-07 天津大学 一种孔隙可调的MXene致密多孔膜的制备方法及其应用
CN113277851B (zh) * 2021-06-29 2022-05-24 中国科学院金属研究所 一种陶瓷-金属仿生纳米复合材料及其制备方法
CN113772667B (zh) * 2021-07-23 2023-11-10 西北民族大学 可高效产生太阳能蒸汽的氧化石墨烯基多孔光热材料及其制备方法和应用
CN113651983B (zh) * 2021-08-23 2022-07-12 陕西科技大学 生物质高分子材料基光热转换超疏水薄膜及其制备方法
CN113731380B (zh) * 2021-09-27 2023-07-25 烟台大学 一种MXene/石墨烯/聚乙烯亚胺复合气凝胶及其制备方法与应用
CN114053988B (zh) * 2021-09-29 2023-04-28 山东农业大学 一种MXene复合气凝胶材料的制备方法及其应用
CN114160101A (zh) * 2021-12-16 2022-03-11 山东润德生物科技有限公司 一种氨基葡萄糖生产废渣的资源化利用方法及其应用
CN114705082B (zh) * 2022-03-06 2023-06-13 北京化工大学 一种具有红外隐身和可见光双重伪装功能的3d气凝胶基相变复合材料及制备方法
CN115044297A (zh) * 2022-06-30 2022-09-13 北京理工大学 一种兼具光热除冰和长效防腐性能的超疏水涂层及制备方法
CN116351403B (zh) * 2023-05-08 2023-10-13 青岛科技大学 MXene/rGO气凝胶、PDA/CS/MXene/rGO气凝胶及其制备方法和应用

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104528721A (zh) * 2014-12-23 2015-04-22 陕西科技大学 一种薄片二维纳米碳化钛纳米材料的制备方法
US10826113B2 (en) * 2015-04-13 2020-11-03 Global Graphene Group, Inc. Zinc ion-exchanging energy storage device
KR20170106857A (ko) * 2016-03-14 2017-09-22 한국에너지기술연구원 얼음 주형법을 이용한 3차원 다공성 구조의 그래핀/Mxene 복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 3차원 다공성 구조의 그래핀/Mxene 복합체
CN106853296B (zh) * 2016-12-30 2019-07-19 福建农林大学 一种油水分离型海藻酸钠/氧化石墨烯复合气凝胶及其制备方法
CN108620003B (zh) * 2018-05-25 2021-05-18 哈尔滨工业大学 可伸缩的具有高电磁屏蔽效应的MXene/石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN109348694B (zh) * 2018-09-13 2020-04-03 上海大学 高强度柔性自支撑电磁屏蔽薄膜及其制备方法

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