CN110511393A - 一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF及其制备方法和在太阳能蒸汽产生中的应用 - Google Patents

一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF及其制备方法和在太阳能蒸汽产生中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以铜网为基体的Fe‑dobdc MOF及其制备方法和在太阳能蒸汽产生中的应用，其是在铜网上生长有氢氧化铜纳米线，在氢氧化铜纳米线上生长有Fe‑dobdc。铜网不仅是形成Fe‑dobdc的载体，还给形成氢氧化铜纳米线提供了铜元素；氢氧化铜不仅是形成Fe‑dobdc的载体(基体)，其形成的多孔骨架也为以铜网为基体的Fe‑dobdc作为光热转换体材料参与到太阳能蒸汽产生提供了极大的帮助。Fe‑dobdc具有多孔晶体结构，能够有效的通过毛细作用将水运输到气液界面以供水的蒸发，从而使其具有超亲水特点，因此Fe‑dobdc表现出超高的蒸发速率。

Description

一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF及其制备方法和在太阳能 蒸汽产生中的应用
技术领域
本发明涉及太阳能蒸汽产生，具体为一种以铜网为基体的多孔碳骨架Fe-dobdcMOF及其制备方法和在太阳能蒸汽产生中的应用。
背景技术
淡水资源短缺一直以来都是人类所面临的重大挑战之一，虽然近四分之三的世界被海洋覆盖，但居民只能使用总水资源的10％，所以海水淡化技术引起了人们的极大关注。太阳能蒸汽产生因其在海水淡化、废水处理和杀菌等多种应用中具有巨大的太阳能利用潜力而受到广泛关注。高效太阳能蒸汽产生依赖于高性能太阳能热转换材料的设计和开发。近年来，界面太阳能蒸汽产生被认为是一种很有前途的海水淡化技术，因此光热转换材料受到了极大的关注。
现有的光热转换材料主要有碳基材料、等离子体金属纳米粒子、生物质材料等。等离子体金属纳米粒子具有良好的光热转换性能，但制备成本高，限制了其大规模应用。虽然碳基材料具有良好的宽频带吸光性和良好的耐腐蚀性，但其蒸发速率却一直无法达到1.8(kgm-2h-1)。同样，传统的碳基材料以及生物质材料具有波长范围宽、吸光性、光稳定性好等优点，但制作过程复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF及其制备方法和在太阳能蒸汽产生中的应用，制备过程简单，且拥有超高的蒸发速率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF，其是在铜网上生长有氢氧化铜纳米线，在氢氧化铜纳米线上生长有Fe-dobdc，得到在铜网上覆盖有氢氧化铜纳米线的多孔骨架、在氢氧化铜纳米线上有Fe-dobdc的结构。
优选的，包括以下步骤：
S1，将2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁溶于溶剂中，得到反应液；
S2，将铜网置于含有过硫酸铵和氢氧化钠的溶液中，反应后取出铜网，得到生长有氢氧化铜纳米线的铜网；
S3，将生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应液中进行水热反应，得到多孔碳骨架的Fe-dobdc MOF。
进一步的，S1中，所述2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3。
进一步的，其特征在于，S1中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、酒精和水的混合液。
进一步的，S2中，所述铜网预先经过处理：铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗多次，干燥。
进一步的，S2中，反应时间为15-30分钟。
进一步的，S2，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔比为3:5。
进一步的，S3中，水热反应的温度为100-120℃，时间为24-26小时。
进一步的，S3中，水热反应前以5-8℃/min的升温速率升温至水热反应温度。
所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF在太阳能蒸汽产生中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明是一种新的MOF基光热转换材料，以在铜网上长氢氧化铜纳米线为前驱体，再在上面长Fe-dobdc这种MOF，就会形成拥有纳米线的多孔骨架，有利于水的运输和高效的太阳能蒸汽产生；铜网不仅是形成Fe-dobdc的载体，还给形成氢氧化铜纳米线提供了铜元素；氢氧化铜不仅是形成Fe-dobdc的载体(基体)，其形成的多孔骨架也为以铜网为基体的Fe-dobdc作为光热转换体材料参与到太阳能蒸汽产生提供了极大的帮助。Fe-dobdc具有多孔晶体结构，能够有效的通过毛细作用将水运输到气液界面以供水的蒸发，从而使其具有超亲水特点，因此Fe-dobdc表现出超高的蒸发速率(2.05kgm-2h-1)；另一方面，相比传统的金属等离基元材料、半导体材料、复合材料等，Fe-dobdc制备过程简单，可以实现大规模生产。
本发明得到的Fe-dobdc MOF材料，用于高效的太阳能蒸汽产生，由于其具有多孔碳这种特殊的结构，具有良好的水运输性能和光热转换性能，极大的提高了淡化海水的效率。
附图说明
图1为Fe-dobdc在1个光照强度下的蒸发速率及质量差。
图2为SEM图，(a)500倍，(b)12011倍。
图3为是水滴从接触样品到完全润湿表面的电子图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明制备以铜网为基体的多孔碳骨架Fe-dobdc材料的方法，包括：
步骤1，将2,5-二羟基对苯二甲酸(dobdc)和氯化亚铁溶于由N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水组成的混合溶剂中，得到反应液；N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水的体积比为10:2:1；2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3；
步骤2，将铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗数次后让其自然干燥；
步骤3，经清洗干净的铜网置于含有过硫酸铵和氢氧化钠的溶液中，反应15-30分钟即可制得蓝色氢氧化铜纳米线，得到生长有氢氧化铜纳米线的铜网；过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔比为3:5；
步骤4，最后将制得的生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应液中进行水热反应24-26小时，反应温度为100-120℃，升温速率为5-8℃/min，得到生长Fe-dobdc和氢氧化铜纳米线的铜网，记为Fe-dobdc/氢氧化铜/铜网。
实施例1
本发明Fe-dobdc/氢氧化铜/铜网的制备方法：
从中国国药购买2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁，用电子天平称取2,5-二羟基对苯二甲酸20mg，然后以2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3算出所需氯化亚铁的质量为37.61mg，再将其置于100ml盛有N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水的反应釜中，N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水体积分别为20ml:4ml:2ml；
将500目的铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗数次后让其自然干燥；
经清洗干净的铜网置于含有过硫酸铵(10.21g)和氢氧化钠(3.03g)的100ml混合水溶液中，反应15分钟即可制得蓝色氢氧化铜纳米线；
最后将制得生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应釜中水热反应24小时，反应温度为120℃，升温速率为5℃/min。
经以上四个步骤后，得到了Cu网上长的氢氧化铜纳米线和以铜网为基体的Fe-dobdc(在氢氧化铜纳米线上长的Fe-dobdc)。
实施例2
本发明Fe-dobdc/氢氧化铜/铜网的制备方法：
从中国国药购买2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁，用电子天平称取2,5-二羟基对苯二甲酸20mg，然后以2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3算出所需氯化亚铁的质量为37.61mg，再将其置于100ml盛有N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水的反应釜中，N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水体积分别为20ml:4ml:2ml；
将500目的铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗数次后让其自然干燥；
经清洗干净的铜网置于含有过硫酸铵(10.21g)和氢氧化钠(3.03g)的100ml混合水溶液中，反应20分钟即可制得蓝色氢氧化铜纳米线；
最后将制得生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应釜中水热反应25小时，反应温度为110℃，升温速率为6℃/min。
实施例3
本发明Fe-dobdc/氢氧化铜/铜网的制备方法：
从中国国药购买2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁，用电子天平称取2,5-二羟基对苯二甲酸20mg，然后以2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3算出所需氯化亚铁的质量为37.61mg，再将其置于100ml盛有N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水的反应釜中，N,N-二甲基甲酰胺、酒精和去离子水体积分别为20ml:4ml:2ml；
将500目的铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗数次后让其自然干燥；
经清洗干净的铜网置于含有过硫酸铵(10.21g)和氢氧化钠(3.03g)的100ml混合水溶液中，反应30分钟即可制得蓝色氢氧化铜纳米线；
最后将制得生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应釜中水热反应26小时，反应温度为100℃，升温速率为8℃/min。
图2是实施例1制备的材料的SEM图。从图2(a)和(b)中可以看出铜网上生长了大量的Cu(OH)2纳米线，Cu(OH)2纳米线上均匀地长了大量的Fe-dobdc，与此同时分布丰富的纳米线极大地提高了水运输能力，这大大地增强了毛细作用力。
图3是实施例1材料的吸水性实验结果，即水滴从接触样品到完全润湿表面的电子图，从图3(a)(b)(c)(d)中可以明显看到2s水滴完全被以铜网为基体的Fe-dobdc吸收。也就是说以铜网为基体的Fe-dobdc具有优异的超亲水特性。
Fe-dobdc/氢氧化铜/铜网的蒸发性能的测定是通过蒸发实验来定量分析：
蒸发实验利用一个模拟太阳光照环境下的实验装置来完成的，所有的数据都是以盐水质量差的方式通过电子天平读取然后传输到电脑上记录。所有的蒸发实验均在1个太阳光照强度下进行。
通过蒸发实验发现，随着时间的推移盐水的质量一直在减小，与此相对应的蒸发速率也在加大，当质量差为0.0025kg的时候相对应的蒸发速率开始趋于稳定，最后稳定在2.05kgm-2h-1左右(图1)。显然，以铜网为基体的Fe-dobdc作为吸收体，极大地提高了蒸发效率。
传统的碳基材料、金属等离子基材料、半导体材料等光热转换材料的蒸发速率均没有Fe-dobdc的高，与此同时这些材料的润湿性也因其结构或者技术等的限制而不能满足有效的太阳能蒸汽产生。但Fe-dobdc其特殊的金属有机多孔碳骨架使其具有超亲水特性，从而加快水运输的性能。
综上所述，Fe-dobdc因其这种独特的金属有机多孔碳骨架结构而具有优异的超亲水以及超高的蒸发效率，为太阳能驱动的海水淡化技术提供了一种全新的光热转换材料。

Claims (10)

1.一种以铜网为基体的Fe-dobdc MOF，其特征在于，其是在铜网上生长有氢氧化铜纳米线，在氢氧化铜纳米线上生长有Fe-dobdc，得到在铜网上覆盖有氢氧化铜纳米线的多孔骨架、在氢氧化铜纳米线上有Fe-dobdc的结构。
2.权利要求1所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁溶于溶剂中，得到反应液；
S2，将铜网置于含有过硫酸铵和氢氧化钠的溶液中，反应后取出铜网，得到生长有氢氧化铜纳米线的铜网；
S3，将生长有氢氧化铜纳米线的铜网置于反应液中进行水热反应，得到以铜网为基体的Fe-dobdc MOF。
3.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S1中，所述2,5-二羟基对苯二甲酸和氯化亚铁的摩尔比为1:3。
4.根据权利要求2所述的以铜网为基体的多孔碳骨架Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S1中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、酒精和水的混合液。
5.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S2中，所述铜网预先经过处理：铜网用稀硫酸、去离子水和丙酮依次清洗多次，干燥。
6.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S2中，反应时间为15-30分钟。
7.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S2，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔比为3:5。
8.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S3中，水热反应的温度为100-120℃，时间为24-26小时。
9.根据权利要求2所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF的制备方法，其特征在于，S3中，水热反应前以5-8℃/min的升温速率升温至水热反应温度。
10.权利要求1所述的以铜网为基体的Fe-dobdc MOF在太阳能蒸汽产生中的应用。
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