CN110105917A - 一种光热复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种光热复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光热复合材料及其制备方法与应用，所述方法包括步骤：预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照预定比例混合，制得混合溶液；将海绵浸泡在所述混合溶液中，对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，制得光热复合材料前驱体；将所述光热复合材料前驱体置于氩气保护的管式炉中进行碳化处理，制得所述光热复合材料。本发明提供的光热复合材料制备方法成本低廉、技术简单、同时可实现大规模生产，且制得的光热复合材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述光热复合材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。

Description

一种光热复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及光热材料领域，尤其涉及一种光热复合材料及其制备方法。
背景技术
随着社会不断发展所带来的环境污染问题已成为制约发展的重要因素。其中水污染所带来的水资源短缺等问题，使人们对水污染的治理颇为重视。海水净化和淡化作为一种能高效获取淡水资源的方法，引起了研究者广泛关注。
然而目前传统的海水淡化法，如多效蒸馏、渗透膜、多级闪蒸等，都存在体积庞大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等问题。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保，但多年来一直受限于较低的光热转换效率与相对高的成本而无法大规模应用。在海水淡化的发展历程中，已逐渐形成了以反渗透、多级闪蒸、低温多效蒸馏为代表的三大传统主流技术。但不管是哪种方法，都是以消耗能源为代价来获得淡水，还存在能量传递效率低、装置体庞大、碳排放量高、耗能大、可重复性差以及制作成本高等一系列不足。而且随着技术的跟进，利用清洁能源进行海水淡化技术日益受到人们的关注。而太阳能作为丰富的自然资源，取之不尽用之不竭，有非常宽的光谱；且太阳能不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗、运行安全稳定可靠，备受学术界的青睐。近年来兴起的界面光热转化技术进一步推动了太阳能海水淡化的发展。随着纳米材料结构设计以及光学、热学调控对光-蒸汽转换效率的有效提高，如果能在进一步提升光热转换效率的同时，更加高效地完成海水的净化过程，此类材料将为解决水资源稀缺问题提供新的希望。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光热复合材料及其制备方法与应用，旨在解决现有光热材料的光热转换效率低且不能高效地完成海水淡化与净化的问题。
本发明的技术方案如下：
一种光热复合材料的制备方法，其中，包括步骤：
预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照预定比例混合，制得混合溶液；
将海绵浸泡在所述混合溶液中，对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，制得光热复合材料前驱体；
将所述光热复合材料前驱体置于氩气保护的管式炉中进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
所述光热复合材料的制备方法，其中，预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照质量比为3-5:1的比例进行混合，制得混合溶液。
所述光热复合材料的制备方法，其中，将海绵浸泡在所述混合溶液中，采用40-60℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中吸附的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体。
所述光热复合材料的制备方法，其中，以5℃/min的升温速度升温至预定温度对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
所述光热复合材料的制备方法，其中，以5℃/min的升温速度升温至300-500℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
所述光热复合材料的制备方法，其中，以5℃/min的升温速度升温至300℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
所述光热复合材料的制备方法，其中，所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或多种。
所述光热复合材料的制备方法，其中，所述将海绵浸泡在所述混合溶液中的步骤之前还包括：
采用乙醇对所述海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状。
一种光热复合材料，其中，采用本发明制备方法制得。
一种光热复合材料的应用，其中，将本发明制备方法制得的光热复合材料用于光热海水淡化处理。
有益效果：本发明通过对海绵依次进行浸泡、附着二氧化钛、烘干以及碳化处理制得光热复合材料，所述光热复合材料包括碳化的海绵以及附着在碳化海绵孔道上的纳米二氧化钛。本发明提供的光热复合材料制备方法成本低廉、技术简单、同时可实现大规模生产，且制得的光热复合材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述光热复合材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。
附图说明
图1为本发明一种光热复合材料的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明实施例1中制备的光热复合材料的电子显微镜图。
图3为本发明实施例1-实施例3中制备的光热复合材料在海水淡化测试实验中的海水质量变化对比图。
图4为本发明实施例1中制备的光热复合材料在海水淡化测试实验中的表面温度变化红外成像示意图。
图5为二氧化钛材料光热淡化处理前后，罗丹明含量浓度对比图。
具体实施方式
本发明提供一种光热复合材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种光热复合材料的制备方法较佳实施例的流程图，其中，如图所示，包括步骤：
S10、预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照预定比例混合，制得混合溶液；
S20、将海绵浸泡在所述混合溶液中，对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，制得光热复合材料前驱体；
S30、将所述光热复合材料前驱体置于氩气保护的管式炉中进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
通过本发明实施方式制备的光热复合材料包括碳化海绵以及附着在碳化海绵骨架上的二氧化钛，所述光热复合材料具有以下特点：其一，由于碳化海绵自身具有完整的微孔结构，使得光热复合材料具有较强的毛细运输能力，即具有很好的吸水性能；其二，所述附着在碳化海绵骨架上的二氧化钛具有较高紫外光吸收率，即对太阳能的利用率较高，且所述二氧化钛还具有较强的光催化降解能力，具有一定的防阻塞功能。
本实施例制备的光热复合材料中，碳化海绵不仅能够高效的利用太阳光能量，提高光热转换效率，而且作为多孔骨架进行水的输运，太阳光照下可实现海水淡化的目的；而二氧化钛材料具有很好的光催化活性，能够在光照条件下有效降解水中的有机高分子污染物，防止多孔海绵的阻塞，延长了使用寿命。与传统方法相比，本发明通过对海绵依次进行浸泡、附着二氧化钛、烘干以及碳化处理即可制得光热复合材料，本发明的制备方法大大节约了成本，提高了效率，且所述光热复合材料在半年内稳定性良好，易于保存易于运输。
在一些实施方式中，预先采用乙醇对所述海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状，待用。
在一些实施方式中，预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照质量比为3-5:1的比例进行混合，制得混合溶液。所述钛酸四丁酯为无色至淡黄色透明液体，其粘稠度较高，遇水易分解，能溶于大部分有机溶剂；为保证钛酸四丁酯能充分分散到海绵内部，本实施例预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照质量比为3-5:1的比例进行混合，以降低钛酸四丁酯的粘稠度并使钛酸四丁酯分散均匀。
在一些具体的实施方式中，预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照质量比为4:1的比例进行混合，制得混合溶液。在一些实施方式中，所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，将海绵浸泡在所述混合溶液中，采用40-60℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中吸附的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体。在本实施例中，所述海绵为三聚氰胺纳米海绵，所述三聚氰胺纳米海绵具有特殊的三维网状结构以及环保、无毒、价格低廉等特点，在光热海水净化淡化方面具有很好的应用价值；所述吸附在海绵中的钛酸四丁酯在40-60℃的热蒸汽加热过程中能够充分水解成二氧化钛凝胶，烘干后形成附着均匀的无定形态纳米二氧化钛，若热蒸汽温度过高（大于60℃），则钛酸四丁酯的水解速度过快，易导致生成的二氧化钛发生团聚，从而堵塞海绵中的孔道，最终降低了海绵的吸水性能。
在一些具体的实施方式中，将海绵浸泡在所述混合溶液中，浸泡8-15h后，再采用60℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中吸附的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体。
在一些实施方式中，以5℃/min的升温速度升温至预定温度对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。在本实施例中，由于海绵内部为特殊的三维网状结构且具有完整的孔道，若以大于5℃/min的升温速度升温至预定温度对光热复合材料前驱体进行碳化处理，易导致海绵内部的孔道以及三维网状结构被破坏，从而降低了海绵的吸水性能，进而降低了海水的淡化效率。
在一些实施方式中，所述光热复合材料的制备方法，其中，以5℃/min的升温速度升温至300-500℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
在一些更具体的实施方式中，以5℃/min的升温速度升温至300℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理0.5h，自然冷却至室温后取出，即制得所述光热复合材料。在本实施例中，所述海绵能够被充分碳化，且内部的孔道及三维网状结构保持完整，最终制得的光热复合材料光热性能最佳，海水淡化效率最高。
在一些实施方式中，还提供一种光热复合材料，采用本发明制备方法制得，所述光热复合材料包括碳化海绵以及附着在碳化海绵骨架上的二氧化钛。
在一些实施方式中，还提供一种光热复合材料的应用，将本发明制备方法制得的光热复合材料用于光热海水淡化处理。在本实施例中，将制备得到的光热复合材料作为光热海水淡化材料，通过其自身毛细运输能力将海水输送到气-固界面（碳化海绵/二氧化钛复合材料与太阳光接触面），在模拟太阳光光照条件下，将太阳光能量转移到所述气-固-液界面，从而实现对海水进行高效淡化处理。所述光热复合材料不仅能够高效的利用太阳光能量，提高光热转换效率，而且作为多孔骨架进行水的输运，可实现海水淡化的目的；且二氧化钛材料具有很好的光催化活性，能够在光照条件下有效降解水中的有机高分子污染物，防止多孔海绵的阻塞，延长了使用寿命。
下面通过具体实施例对本发明一种光热复合材料的制备方法及其性能做进一步的解释说明：
实施例1
一种光热复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
1）、预先将钛酸四丁酯和乙醇按照质量比为4:1的比例进行混合，制得混合溶液；
2）、预先采用乙醇对所述三聚氰胺纳米海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的三聚氰胺纳米海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状，待用；将所述三聚氰胺纳米海绵浸泡在所述混合溶液中10h，采用60℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中吸附的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体；
3）、在氩气保护的管式炉中，以5℃/min的升温速度升温至300℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料，记为MT-300。
对实施例1中制得的光热复合材料进行电子显微扫描，得到的电子显微镜图如图2所示，从图中可以看出，所述光热复合材料具有相对完整的孔道结构，使得所述光热复合材料具有较强的毛细运输能力。
实施例2
1）、预先将钛酸四丁酯和乙醇按照质量比为3:1的比例进行混合，制得混合溶液；
2）、预先采用乙醇对所述三聚氰胺纳米海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的三聚氰胺纳米海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状，待用；将所述三聚氰胺纳米海绵浸泡在所述混合溶液中10h，采用50℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中附着的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体；
3）、在氩气保护的管式炉中，以5℃/min的升温速度升温至400℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料，记为MT-400。
实施例3
1）、预先将钛酸四丁酯和乙醇按照质量比为3:1的比例进行混合，制得混合溶液；
2）、预先采用乙醇对所述三聚氰胺纳米海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的三聚氰胺纳米海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状，待用；将所述三聚氰胺纳米海绵浸泡在所述混合溶液中12h，采用40℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中附着的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体；
3）、在氩气保护的管式炉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料，记为MT-500。
将实施例1-实施例3制得的光热复合材料作为光热海水淡化材料，在模拟太阳光光照条件下对海水进行淡化处理，得到的海水质量变化图如图3所示。从图3可以看出，实施例2中制备的光热复合材料MT-300的海水淡化效率最高，MT-500次之，MT-400的海水淡化效率最差。所述光热复合材料MT-300在模拟太阳光光照过程中的表面温度变化红外成像示意图如图4所示，从图中可以看出，所述光热复合材料MT-300在光照3600s后直接由29℃上升至42.2℃，其光热转化效率较高。二氧化钛材料具有很好的光催化活性，能够在光照条件下有效降解水中的有机高分子污染物，以罗丹明B为例，所述二氧化钛材料光热淡化处理前后，罗丹明含量浓度对比图降解效果如图5所示，从图中可以看出，所述在光照条件下，加入二氧化钛材料能够有效降解水中的罗丹明含量。
综上所述，本发明通过对海绵依次进行浸泡、附着二氧化钛、烘干以及碳化处理制得光热复合材料，所述光热复合材料包括碳化的海绵以及附着在碳化海绵孔道上的纳米二氧化钛。本发明提供的光热复合材料制备方法成本低廉、技术简单、同时可实现大规模生产，且制得的光热复合材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述光热复合材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照预定比例混合，制得混合溶液；
将海绵浸泡在所述混合溶液中，对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，制得光热复合材料前驱体；
将所述光热复合材料前驱体置于氩气保护的管式炉中进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
2.根据权利要求要求1所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，预先将钛酸四丁酯和醇类溶剂按照质量比为3-5:1的比例进行混合，制得混合溶液。
3.根据权利要求1所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，将海绵浸泡在所述混合溶液中，采用40-60℃的温热水对浸泡后的海绵进行热蒸汽加热处理，使海绵中吸附的钛酸四丁酯水解为二氧化钛，制得光热复合材料前驱体。
4.根据权利要求1所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，以5℃/min的升温速度升温至预定温度对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
5.根据权利要求4所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，以5℃/min的升温速度升温至300-500℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
6.根据权利要求4所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，以5℃/min的升温速度升温至300℃对所述光热复合材料前驱体进行碳化处理，制得所述光热复合材料。
7.根据权利要求1所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述将海绵浸泡在所述混合溶液中的步骤之前还包括：
采用乙醇对所述海绵进行清洗并自然干燥，将干燥后的海绵剪切为半径为1.5cm，厚度为1cm的圆片状。
9.一种光热复合材料，其特征在于，采用权利要求1-8任意一种制备方法制得。
10.一种光热复合材料的应用，其特征在于，将权利要求1-8任一制备方法制得的光热复合材料用于光热海水淡化处理。
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