CN111715040A - 一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置及其制作方法 - Google Patents

一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置及其制作方法 Download PDF

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    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/28—Selection of materials for use as drying agents

Abstract

本发明公开了一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置及其制作方法。本。制备的硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置具有亲疏相间仿生结构，具有类似初生动物学习模仿周围环境的特性和能力的印刻效应；将该装置置于一定湿度的大气环境中，利用亲水部分使得水蒸气快速凝结，利用疏水部分实现水滴快速流走，达到集水的目的。该装置还可以应用在农业灌溉和海水淡化领域。

Description

一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置及其制作 方法
技术领域
本发明涉及超疏水超亲水材料领域，尤其是涉及一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置及其制作方法。
背景技术
印刻效应属于辨认事物以及与事物间保持一定逻辑关系的一种能力。印刻效应最为人所熟知的形式是指幼小的动物，特别是那些孵出后立即离巢的鸟类，从它们的身边成年动物身上获得类似的行为特征。通过印刻能力，新生动物可以从一些即便不是它们父母的刺激物中学习到必要的技能，这些技能可以帮助它们适应于生存环境。例如，小鸭子跟着犬类学习游泳；刚被母鸡孵出的鹅会把母鸡当作它们的学习对象；狼的幼崽在与犬类接触后开始吠叫等等。因此，新生的动物可以被说是向目标事物产生印刻，这便是动物界中著名的印刻效应。
此外，地球上多数地区是缺水地区，而大气中却以水蒸气的形式储存着大量的水分，自然界中的许多动植物利用超亲水和超疏水相间的结构，具备了从大气中收集水分的特性，比较著名的例子是生活在沙漠中的一种甲壳虫，它的壳上有一些亲水性的突起和疏水性的凹陷部位。利用亲水性的突起使得大气中的水蒸气在其上液化，形成水滴，然后通过疏水区域将水滴传输到腿上后喝掉。
对于一些与生俱来就拥有适当亲和性的材料，它们与外界接触时，倾向于吸引捕获具有相近极性的分子，另一方面，它们对于特定的溶液也有分散偏好。那么，从这个角度来看，印刻能力是可以被这一类材料所拥有，因为它们可以通过相互吸引来融合吸收不同材料的特性，即无机材料也具备类似的印刻效应。更重要的是，印刻效应对于丰富单一材料的功能具有重大意义。
发明内容
为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的首要目的是提供一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置，该水分收集装置具有印刻效应，具有超疏水和超亲水相间的结构，超亲水区域可以收集水分，超疏水区域将收集的水分传输，可以实现水分的收集。
本发明的第二目的是提供一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法。
本发明的首要目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置，包括玻璃基底和硫化物纳米片，所述硫化物纳米片包括薄片的基面以及薄片的边缘位置。
优选地，所述薄片的基面覆盖疏水层，所述薄片的边缘位置覆盖亲水层；或所述薄片的基面覆盖亲水层，所述薄片的边缘位置覆盖疏水层。
本发明的第二目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，包括如下步骤：
(1)在基底上制作一层硫化物纳米片，得硫化物纳米片/基底装置；
(2)将步骤(1)中硫化物纳米片/基底装置上覆盖具有均匀孔洞的掩模，得掩膜/硫化物纳米片/基底装置；
(3)将掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入亲水溶液，再去掉掩模，浸入疏水溶液；或将掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入疏水溶液，再去掉掩模，浸入亲水溶液；得硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置。
优选地，所述步骤(1)中硫化物为硫化亚铜、硫化钼或硫化钨中的任一种。
优选地，所述步骤(1)的具体制作方法为：将铜粉/钼粉/钨粉在浓盐酸中浸泡处理10～30分钟，过滤，得铜/钼/钨滤渣；将铜/钼/钨滤渣置于硫化钠和硫的混合溶液中，常温下搅拌5～10分钟，形成硫化亚铜/硫化钼/硫化钨混合溶液；将基底覆盖一层硫化亚铜/硫化钼/硫化钨纳米材料，形成硫化亚铜/硫化钼/硫化钨纳米片/基底装置。
也就是说，步骤(2)制作的装置先浸入亲水性溶液后，再浸入疏水性溶液；或者先浸入疏水性溶液后，再浸入亲水性溶液，生成的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置效果是一样的。
优选地，所述步骤(2)中掩膜的直径为1～4mm。
所述步骤(3)中，此时，当掩膜/硫化物纳米片/基底装置先浸入亲水溶液，再去掉掩模，再浸入疏水溶液，掩模暴露的位置覆盖亲水层，具备超亲水性能，掩模掩盖的位置覆盖疏水层，具备超疏水性能；当先浸入亲水溶液不会破坏掉硫化亚铜纳米片/基底装置超疏水特性；同理，当掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入疏水溶液，再去掉掩模，再浸入亲水溶液，掩模暴露的位置覆盖疏水层，具备超疏水性能，掩模掩盖的位置覆盖亲水层，具备超亲水性能；先浸入疏水溶液也不会破坏掉硫化亚铜纳米片/基底装置超亲水特性，通过上述步骤即可得到具有印刻效应的硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置。
优选地，所述步骤(3)中亲水溶液是氨基酸水溶液、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酸水溶液或聚丙烯酸钠水溶液中的任意一种。
优选地，所述亲水溶液的浓度为0.1～0.4mol/L。
优选地，所述步骤(3)中疏水溶液是长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥15；所述步骤(3)中疏水溶液也可以是端基带有胺基的长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥18；所述步骤(3)中所述的疏水溶液还可以是端基带有羟基的长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥18。
优选地，所述疏水溶液的浓度为0.1～0.4mol/L。
本发明之所以选择硫化物纳米片来构建超疏水超亲水水分收集装置是因为我们在研究中发现了这类二维纳米硫化物存在独特的结构。二维硫化物纳米片展现了两类主要的表面：分别是薄片基面以及薄片的边缘位置。由于基面上分布有最少的悬挂键和具有最低的粗糙度，所以薄片基面为惰性面，它通常被暴露得最多而且特别稳定，相反，薄片的边缘位置具有十分高的极性而不容易被暴露。当薄片先浸入亲水性溶液，再浸入疏水性溶液，这使得薄片的基面为亲水面，而薄片的边缘位置为疏水面；当薄片先浸入疏水性溶液，再浸入亲水性溶液，这使得薄片的基面为疏水面，而薄片的边缘位置为亲水面。薄片的基面和薄片的边缘位置亲和性的差异可能会赋予硫化物既可以与低极性又可以与高极性物质结合的能力。换句话说，硫化物会因此具有印刻能力，具备学习其他物质性能的潜力。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明制备的硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置具有亲疏相间仿生结构，具有类似初生动物学习模仿周围环境的特性和能力的印刻效应；将该装置置于一定湿度的大气环境中，利用亲水部分使得水蒸气快速凝结，利用疏水部分实现水滴快速流走，达到集水的目的。该装置还可以应用在农业灌溉和海水淡化领域。
2、本发明的硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置的制备方法，是通过依次在基底上制作一层硫化物纳米片，并覆盖具有均匀空洞的模板，将其浸入亲水或疏水溶液，再去掉模板，再次浸入疏水或亲水溶液，得到硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置；该制备方法简单，易操作。
附图说明
图1是实施例1硫化亚铜纳米片超疏水超亲水水分收集装置的制作流程示意图。
图2是制备的硫化亚铜纳米片XRD图；
图3是制备的硫化亚铜纳米片SEM图；
图4是搭建的加速水分收集装置；
图5是自然环境下，样品收集水分的照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所述为被实施例硫化亚铜纳米片超疏水超亲水水分收集装置的制作流程图。
1、先制备硫化亚铜纳米片：以黄铜粉为原料，用浓盐酸浸泡处理10分钟，过滤，得铜滤渣，取出后，置于质量百分数为5％的Na2S和质量百分数为2％的硫的混合溶液中，常温搅拌5分钟，得到如图2所示的硫化亚铜纳米片XRD图，图3是得到的硫化亚铜纳米片SEM图。
2、硫化亚铜纳米片超疏水超亲水水分收集装置的制备：
(1)在玻璃基底上制作一层硫化亚铜的纳米片，得硫化亚铜纳米片/基底装置；
(2)将步骤(1)中硫化亚铜纳米片/基底装置上覆盖具有均匀孔洞直径为2mm的掩模，得掩膜/硫化亚铜纳米片/基底装置；
(3)将掩膜/硫化亚铜纳米片/基底装置浸入0.2mol/L亲水溶液(氨基酸溶液)，再去掉掩模，浸入0.2mol/L疏水溶液(十八烷的石油醚溶液)；或将掩膜/硫化亚铜纳米片/基底装置浸入0.2mol/L疏水溶液(十八烷的石油醚溶液)，再去掉掩模，浸入0.2mol/L亲水溶液(氨基酸溶液)；得硫化亚铜纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置。
所述步骤(3)中，此时，当掩膜/硫化物纳米片/基底装置先浸入亲水溶液，再去掉掩模，再浸入疏水溶液，掩模暴露的位置覆盖亲水层，具备超亲水性能，掩模掩盖的位置覆盖疏水层，具备超疏水性能；当先浸入亲水溶液不会破坏掉硫化亚铜纳米片/基底装置超疏水特性；同理，当掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入疏水溶液，再去掉掩模，再浸入亲水溶液，掩模暴露的位置覆盖疏水层，具备超疏水性能，掩模掩盖的位置覆盖亲水层，具备超亲水性能；先浸入疏水溶液也不会破坏掉硫化亚铜纳米片/基底装置超亲水特性，通过上述步骤即可得到具有印刻效应的硫化物纳米片超疏水超亲水水分收集装置，需要说明的是先浸入超亲水后浸入超疏水或者先浸入超疏水后浸入超亲水，效果是一样的。
进一步地，本实施例的掩模有均匀的孔洞，孔洞形状、尺寸、间隔可根据需要设计，并对集水效果有一定影响。
优选地，本实施例中亲水溶液还可以是聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠任何一种的水溶液，采用不同的溶液，由于其亲水特性的差异，会对水分收集效果有影响，我们的实验结果表明，在其他条件不变的情况下，水分收集效果聚丙烯酸钠＞氨基酸＞聚丙烯酸＞聚乙烯醇；疏水溶液还可以是碳原子数≥15的烷烃有机溶液、碳原子数≥18端基带有胺基的有机胺、碳原子数≥18端基带有羟基的醇类都能使样品带有良好的疏水性，在碳链长度一样的情况下，疏水效果为烷烃＞有机胺＞醇。
实施例2
测试不同硫化物、亲水材料和疏水材料制成水分收集装置的水分收集效果。
在实验室中我们按照附图4所示的方式对本实施例中制备的硫化亚铜超疏水超亲水水分收集装置进行水分加速收集的测试，结果表明，集水效率可达到5g/h·cm2。图5是将制备的样品置于大气环境下进行水分收集的照片。
如果采用硫化钼和硫化钨纳米片，按照实施例1所述的方案，也可以得到良好的水分收集效果。
(1)如下表1为硫化亚铜-不同亲疏材料搭配，得到的水分收集效率结果(g/h·cm2)，先在亲水溶液浸泡，后在疏水溶液浸泡。
表1
聚丙烯酸钠 氨基酸 聚丙烯酸 聚乙烯醇
烷烃 15.2-16.1 13.8-14.5 10.3-12.5 8.1-9.6
有机胺 13.5-15.0 10.2-11.7 8.5-9.4 6.8-7.9
醇 9.5-10.6 8.7-9.3 7.1-7.8 5.0-6.5
(2)如下表2为硫化钨-以聚丙烯酸钠为亲水材料，18烷烃为疏水材料，考察掩模直径对水分收集效果影响(g/h·cm2)，先在亲水溶液浸泡，后在疏水溶液浸泡。
表2
掩模直径/mm 1 2 3 4
水分收集结果 15.2 16.1 15.8 15.4
(3)如下表3为硫化钨-以聚丙烯酸钠为亲水材料，18烷烃为疏水材料，考察不同浓度对水分收集效果影响(g/h·cm2)，先在亲水溶液浸泡，后在疏水溶液浸泡。
表3
Figure BDA0002533253980000061
通过上述表1可知对不同硫化物、亲水材料、疏水材料以及掩膜直径的研究，可知，在其他条件不变的情况下，水分收集效果聚丙烯酸钠＞氨基酸＞聚丙烯酸＞聚乙烯醇，在碳链长度一样的情况下，疏水效果为烷烃＞有机胺＞醇；通过上述表2可知，掩膜直径的大小对水分收集效果影响不是很大，当直径为2mm的时候，水分收集效果最好；通过上述表3可知，在其他条件不变的情况下，水分收集效果随着疏水溶液浓度增大而增大，但是随着亲水溶液的浓度增大，水分收集效果先增大后下降，有最佳值。
实施例2
我们通过如下的实验来说明硫化物材料具备这种印刻能力:①我们把硫化亚铜纳米片涂覆在玻璃片上后放进亲水性的溶液如氨基酸的水溶液中然后再取出，其表面便具有亲水特性，测试其对水的接触角＜2°(此样品标记为A)，如果把硫化亚铜纳米片涂覆在玻璃片上后放进疏水性的溶液如十八烷的石油醚溶液中然后再取出，其表面便具有超疏水特性，测试其对水的接触角＞150°，可达到155°(此样品标记为B)。②如把得到的超亲水的A样品再置于疏水性的溶液如十八烷的石油醚溶液中然后再取出，此时A样品仍然为超亲水性质，表明A被印刻为超亲水后，其亲疏特性将不会再改变；同样的，如把得到的超疏水的B样品再置于亲水性的溶液如氨基酸的水溶液中然后再取出，此时B样品仍然为超疏水性质，表明B被印刻为超疏水后，其亲疏特性将不会再改变。此外，硫化钼、硫化钨纳米片都具有类似的现象，我们把材料具有的上述特性称之为材料的印刻效应。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置，其特征在于，包括玻璃基底和硫化物纳米片，所述硫化物纳米片包括薄片的基面以及薄片的边缘位置。
2.根据权利要求1所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置，其特征在于，所述薄片的基面覆盖疏水层，所述薄片的边缘位置覆盖亲水层；或所述薄片的基面覆盖亲水层，所述薄片的边缘位置覆盖疏水层。
3.一种硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在基底上制作一层硫化物纳米片，得硫化物纳米片/基底装置；
(2)将步骤(1)中硫化物纳米片/基底装置上覆盖具有均匀孔洞的掩模，得掩膜/硫化物纳米片/基底装置；
(3)将掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入亲水溶液，再去掉掩模，浸入疏水溶液；或将掩膜/硫化物纳米片/基底装置浸入疏水溶液，再去掉掩模，浸入亲水溶液；得硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置。
4.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硫化物为硫化亚铜、硫化钼或硫化钨中的任一种。
5.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中掩膜的直径为1～4mm。
6.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中亲水溶液是氨基酸水溶液、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酸水溶液或聚丙烯酸钠水溶液中的任意一种。
7.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述亲水溶液的浓度为0.1～0.4mol/L。
8.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中疏水溶液是长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥15；或疏水溶液是端基带有胺基的长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥18；或疏水溶液是端基带有羟基的长链烷烃的有机溶液，长链烷烃的碳原子数≥18。
9.根据权利要求3所述的硫化物纳米片超疏水超亲水材料水分收集装置的制备方法，其特征在于，所述疏水溶液的浓度为0.1～0.4mol/L。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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