CN111333903A - 一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法，是将绝热多孔材料浸泡在硝酸溶液中以除去表面杂质，再浸入到水溶性聚合物胶黏剂与黑磷纳米片的混合溶液中，取出后进行热交联处理，即可得到海水淡化材料。该方法不会破坏黑磷晶格结构，构造方便，工艺简单，且吸收光谱范围广，光热转化效率高，能够充分利用太阳能，实现高效海水淡化，可以直接应用于大规模工业化生产及市场推广。

Description

一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种在多孔材料表面负载光热转换材料的方法，具体涉及一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法。
背景技术
随着世界人口的增加以及水资源的减少，淡水资源的获取越来越受到科学家们的重视。而利用太阳能实现海水淡化相比于膜蒸馏、膜透析具有成本低、装置简单、能耗低的特点。所以近年来，科学家们提出了太阳能水蒸发的新型太阳能热利用技术，通过各种途径以提高太阳能水蒸发系统的光热转化效率。研究人员提出了几种光热转化材料的先进制备方法，如3D打印、气相沉积、冷冻干燥、脉冲激光沉积等，然而由于这些方法昂贵且复杂，阻碍了其在实际应用中的使用。
因此，针对上述问题，需要提出一种简便易行的太阳能海水淡化材料的制备方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在的问题，旨在提供一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法，通过在多孔绝热材料表面利用水溶型聚合物胶黏剂与黑磷纳米片以分子间作用力，在多孔材料表面沉积光热转化层，制备用于海水淡化的功能材料。本发明制备的太阳能海水淡化材料能够自悬浮在水面上，吸收太阳能转化为热量，界面加热海水，蒸发凝聚成淡水资源。
本发明太阳能海水淡化材料，是以绝热多孔材料为承载材料，以黑磷纳米片为光热转化层，以水溶性聚合物为粘结剂及保护层获得的复合材料。
本发明太阳能海水淡化材料的制备方法，是将绝热多孔材料浸泡在硝酸溶液中以除去表面杂质，再浸入到水溶性聚合物胶黏剂与黑磷纳米片的混合溶液中，取出后进行热交联处理，即可得到海水淡化材料。具体包括如下步骤：
步骤1：将绝热多孔材料浸入硝酸溶液中，以除去材料表面杂质；
步骤2：将步骤1处理后的绝热多孔材料浸入到水溶性聚合物胶黏剂与黑磷纳米片的混合溶液中，通过分子间作用力吸附胶黏剂与黑磷纳米片于绝热多孔材料表面，得到具有光热转化性能的初始海水淡化材料；
步骤3：将步骤2获得的初始海水淡化材料浸入戊二醛溶液中，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在烘箱中完成热交联，固定黑磷纳米片于绝热多孔材料的表面，即可获得太阳能海水淡化材料。
步骤1中，所述绝热多孔材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、三聚氰胺泡沫等；所述绝热多孔材料的开孔率＞90％。
步骤1中，所述硝酸溶液的pH值为1～3，浸泡时间为1～10min。
步骤2中，所述水溶性聚合物胶黏剂包括胶原蛋白、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺等；所述黑磷纳米片的粒径为0.2～1.0um，片层厚度小于20nm。混合溶液中水溶性聚合物胶黏剂的浓度为2～10g/L，黑磷纳米片的浓度为1g/L～5g/L；浸泡时间为1～10min。
步骤3中，戊二醛溶液的浓度为1g/L～5g/L，浸泡时间为1～10min。
步骤3中，热交联的温度为60～80℃，时间为1～4h。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明制备方法简单，易操作，所用原料易获得。
2、本发明基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料避免了黑磷晶格的破坏。
3、本发明基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料能够在全波段吸收太阳光且转化为热量。
4、本发明基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料能够高效的加热海水。
5、本发明基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料能够长时间重复使用。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的太阳能海水淡化材料的扫描电镜图。其中，图a为纯聚氨酯泡沫的光滑的表面形貌。图b为胶原蛋白与戊二醛粘附后聚氨酯泡沫粗糙的表面形貌。图c为黑磷纳米片负载后的聚氨酯泡沫的表面形貌，粗糙的泡孔骨架结构正是由于黑磷纳米片的负载。
图2是本发明实施例1中制备的太阳能海水淡化材料的300nm-2500nm的吸收率谱图。随着波长增加，纯聚氨酯泡沫的吸收率逐步降低至45％，而基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料能够在全波段吸收超过85％的光照。
图3是本发明实施例1制备的太阳能海水淡化材料的红外热成像图。其中，图a1和a2是纯聚氨酯在1kW/m2的照射30min前后的红外热成像图，结果表明其温度并未明显增加。而图b1和b2是基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料在1kW/m2照射30min前后的红外热成像图。结果显示，最高的表面温度从26.7℃升高至53.3℃。
图4是本发明实施例1制备的太阳能海水淡化材料的水蒸发质量损失图。图a中可以看出，相对于纯水弱的蒸发速率(0.2594kg/m2*h)，太阳能海水淡化材料能够使蒸发速率提高243％(0.8910kg/m2*h)。图b是基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的水蒸发重复试验，可以看出重复的十次实验里，其水蒸发速率并没有发生恶化，仍接近0.9kg/m2*h。
图5是本实施例1制备的太阳能海水淡化材料的海水蒸发质量损失结果与离子浓度。图5a中可以看出，即时采用海水作为测试对象，海水蒸发效率仍然较高，达到0.8238kg/m2h。同时，由对数纵坐标可以看出，相比于海水的离子浓度，蒸发后收集的水离子浓度呈现103下降幅度，且满足WHO的饮用水标准(图5b)。
图6是本发明实施例6制备的太阳能海水淡化材料的红外热成像图。图6a和6b是未修饰与黑磷修饰后的三聚氰胺泡沫在1kW/m2照射30min后的红外热成像图。结果表明未修饰的三聚氰胺泡沫在1kW/m2模拟太阳光照射30min后，其温度并未明显增加(图6a)。而黑磷修饰后，三聚氰胺泡沫最高表面温度升至39.5℃(图6b)。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为聚氨酯软泡，胶黏剂为胶原蛋白(工业级)，交联剂聚合物为戊二醛(工业级)。
1、将聚氨酯软泡材料浸入pH值为1的硝酸溶液中，浸泡1min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的聚氨酯软泡浸入到胶原蛋白与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为2g/L和1g/L)，浸泡时间为1min，通过分子间作用力吸附黑磷纳米片与胶原蛋白负载于聚氨酯软泡表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到1g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为1min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中1h，获得透明保护层。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的扫描电镜图为图1。图1a为纯聚氨酯泡沫的光滑的表面形貌。图1b为胶原蛋白粘附后聚氨酯泡沫粗糙的表面形貌。图1c为黑磷纳米片负载后的聚氨酯泡沫的表面形貌，粗糙的泡孔骨架结构正是由于黑磷纳米片的负载。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的300nm-2500nm的吸收率谱为图2。随着波长增加，纯聚氨酯泡沫的吸收率逐步降低至45％，而基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料能够在全波段吸收超过85％的光照。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的红外热成像结果为图3。图3a1和a2是纯聚氨酯在1kW/m2的照射30min前后的红外热成像图，结果表明其温度并未明显增加。而图3b1和b2是基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料在1kW/m2的照射30min前后的红外热成像图。结果显示，最高的表面温度从26.7℃升高至53.3℃。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的水蒸发质量损失结果为图4。图4a中可以看出，相对于纯水弱的蒸发速率，太阳能海水淡化材料能够使蒸发速率提高243％。图4b是基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的水蒸发重复试验，可以看出重复的十次实验里，其水蒸发速率并没有发生恶化。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的海水蒸发质量损失结果与离子浓度为图5。图5a中可以看出，即时采用海水作为测试对象，海水蒸发效率仍然较高，达到0.8238kg/m2h。同时，由对数纵坐标可以看出，相比于海水的离子浓度，蒸发后收集的水离子浓度呈现103下降幅度，且满足WHO的饮用水标准(图5b)。
实施例2：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为聚氨酯软泡，胶黏剂为聚乙烯亚胺(工业级)，疏水剂为戊二醛(工业级)。
1、将聚氨酯软泡材料浸入pH值为2的硝酸溶液中，浸泡5min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的聚氨酯软泡浸入到聚乙烯亚胺与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为5g/L和3g/L)，浸泡时间为5min，通过分子间作用力固定聚乙烯亚胺和黑磷纳米片于绝热多孔材料表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到3g/L戊二醛交联剂溶液中浸泡，浸泡时间为5min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在70℃烘箱中2h，获得透明保护层。
实施例3：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为聚氨酯软泡，胶黏剂为聚丙烯酰胺(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将聚氨酯软泡材料浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的聚氨酯软泡浸入到聚丙烯酰胺与黑磷纳米片混合溶液(浓度分别为10g/L与5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将聚丙烯酰胺与黑磷纳米片固定在聚氨酯软泡表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
实施例4：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为聚苯乙烯泡沫，胶黏剂为胶原蛋白(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将聚苯乙烯泡沫浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的聚苯乙烯泡沫浸入到胶原蛋白与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为10g/L和5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将胶原蛋白与黑磷纳米片固定在聚苯乙烯泡沫表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始的太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
实施例5：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为酚醛泡沫，胶黏剂为胶原蛋白(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将多孔酚醛泡沫浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的多孔酚醛泡沫浸入到胶原蛋白与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为10g/L和5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将胶原蛋白与黑磷纳米片固定在多孔酚醛泡沫表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
实施例6：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为三聚氰胺泡沫，胶黏剂为胶原蛋白(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将三聚氰胺泡沫浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的三聚氰胺泡沫浸入到胶原蛋白与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为10g/L和5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将胶原蛋白与黑磷纳米片固定在三聚氰胺泡沫表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
本实施例制备的太阳能海水淡化材料的红外热成像结果为图6。图6a和6b是未修饰与黑磷修饰后的三聚氰胺泡沫在1kW/m2照射30min后的红外热成像图。结果表明未修饰的三聚氰胺泡沫在1kW/m2模拟太阳光照射30min后，其温度并未明显增加(图6a)。而黑磷修饰后，三聚氰胺泡沫最高表面温度升至39.5℃(图6b)。
实施例7：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为三聚氰胺泡沫，胶黏剂为聚乙烯亚胺(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将三聚氰胺泡沫浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的三聚氰胺泡沫浸入到聚乙烯亚胺与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为10g/L和5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将聚乙烯亚胺与黑磷纳米片固定在三聚氰胺泡沫表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
实施例8：
在本实施例中，所用的多孔绝热材料为聚苯乙烯泡沫，胶黏剂为聚乙烯亚胺(工业级)，交联剂为戊二醛(工业级)。
1、将聚苯乙烯泡沫浸入pH值为3的硝酸溶液中，浸泡10min，使其材料表面清洁；
2、将步骤1清洁后的聚苯乙烯泡沫浸入到聚乙烯亚胺与黑磷纳米片混合溶液中(浓度分别为10g/L和5g/L)，浸泡时间为10min，通过分子间作用力将聚乙烯亚胺与黑磷纳米片固定在聚苯乙烯泡沫表面，形成一种基于黑磷纳米片的初始的太阳能海水淡化材料；
3、将初始光热转换材料放入到5g/L戊二醛溶液中浸泡，浸泡时间为10min，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在80℃烘箱中4h，获得透明保护层。
下表1是本发明实施例1、4、5、6的海水淡化速率。从表1中可以看出，黑磷纳米片通过胶原蛋白与戊二醛的交联作用固定在多孔泡沫表面后，均赋予了复合泡沫太阳能光热蒸汽转化的性能。但受限于聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛、三聚氰胺泡沫与胶原蛋白之间的亲和性，黑磷纳米片的吸附量有所不同。同时，受疏水性和密度的影响，泡沫在水中不同的下沉尺寸也影响了光热蒸汽转化性能。因此，即时相同的制备工艺，不同的绝热支撑材料会呈现出不同的水蒸发速率。以聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛、三聚氰胺泡沫为支撑材料的水蒸发速率为0.8910kg/m2h，0.7418kg/m2h，0.8443kg/m2h，0.9611kg/m2h。
表1
Figure BDA0002395584800000071

Claims (8)

1.一种基于黑磷纳米片的太阳能海水淡化材料的制备方法，其特征在于：
是将绝热多孔材料浸泡在硝酸溶液中以除去表面杂质，再浸入到水溶性聚合物胶黏剂与黑磷纳米片的混合溶液中，取出后进行热交联处理，即可得到海水淡化材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将绝热多孔材料浸入硝酸溶液中，以除去材料表面杂质；
步骤2：将步骤1处理后的绝热多孔材料浸入到水溶性聚合物胶黏剂与黑磷纳米片的混合溶液中，通过分子间作用力吸附胶黏剂与黑磷纳米片于绝热多孔材料表面，得到具有光热转化性能的初始海水淡化材料；
步骤3：将步骤2获得的初始海水淡化材料浸入戊二醛溶液中，挤压除去多余的预聚体溶液，放置在烘箱中完成热交联，固定黑磷纳米片于绝热多孔材料的表面，即可获得太阳能海水淡化材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，所述绝热多孔材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、三聚氰胺泡沫；所述绝热多孔材料的开孔率＞90％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，所述硝酸溶液的pH值为1～3，浸泡时间为1～10min。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤2中，所述水溶性聚合物胶黏剂包括胶原蛋白、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺等；所述黑磷纳米片的粒径为0.2～1.0um，片层厚度小于20nm。
6.根据权利要求2或5所述的制备方法，其特征在于：
混合溶液中水溶性聚合物胶黏剂的浓度为2～10g/L，黑磷纳米片的浓度为1g/L～5g/L；浸泡时间为1～10min。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤3中，戊二醛溶液的浓度为1g/L～5g/L，浸泡时间为1～10min。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤3中，热交联的温度为60～80℃，时间为1～4h。
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