CN111747747B - 一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及产品和应用 - Google Patents

一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及产品和应用，属于材料技术领域。该方法为：将柚子皮经浸泡、冷冻干燥后进行碳化处理，获得碳化柚子皮，对所述碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，最后通过电化学沉积法在所述具有若干盲孔的碳化柚子皮的表面沉积制备聚吡咯纳米线簇，即可。该材料光谱吸收率高达98％，其上水的蒸发速率高达1.945kg/m2·h，且具有较高的稳定性，可以作为光热转换材料被广泛用于太阳能热利用领域，特别是太阳能蒸馏装置的制备。该材料制备方法简单，易操作，且原料易得，成本低，适合扩大化生产。

Description

一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及 产品和应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及产品和应用。
背景技术
全息生物学揭示了自然界中普遍存在自相似现象，例如从树木上任取一个小分支观察都与整体形态相似，云团中任意一小部分都与整体有相同的特征，数学分支中的分形理论描述了这种自相似。分形理论在艺术和建筑领域有广泛的应用，具有分形结构的仿生材料往往在光学、电学性质，机械性能方面有较大的改善。
碳基材料因其优秀的化学稳定性和优异的光热转换特性在太阳能蒸馏技术海水淡化领域具有广阔的应用前景。然而，目前许多具有高光热转换效率的热门碳材料(如石墨烯，碳纳米管等)制备成本高昂，不利于规模化应用。其次，材料的内部结构是影响其太阳能光谱吸收率和蒸发性能的重要因素，因此一种价格低廉且结构合理的碳材料将有极大潜力成为理想的光热转换材料。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法；目的之二在于提供一种具有仿生分形结构的碳基材料；目的之三在于提供具有仿生分形结构的碳基材料作为光热转换材料的应用；目的之四在于提供具有仿生分形结构的碳基材料在制备光热转化装置中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法，所述方法如下：
将柚子皮经浸泡、冷冻干燥后进行碳化处理，获得碳化柚子皮，对所述碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，最后通过电化学沉积法在所述具有若干盲孔的碳化柚子皮的表面沉积制备聚吡咯纳米线簇，即可。
优选的，所述浸泡具体为：于水中浸泡5-12h。
优选的，所述冷冻干燥的时间为48-96h。
优选的，所述碳化处理具体为：于500-900℃，保护气氛下热处理1.5-3h。
优选的，所述盲孔为柱形孔，锥形孔或上部为柱形孔、下部为锥形孔。
优选的，所述盲孔为圆柱形孔时，孔的深径比为1-4。
优选的，所述盲孔为阶梯盲孔。
优选的，通过电化学沉积法在所述具有若干盲孔的碳化柚子皮的表面沉积制备聚吡咯纳米线簇的方法如下：
将Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体加入水中，混匀后获得电解液，以具有若干盲孔的碳化柚子皮为工作电极，金属Pt为对电极，饱和甘汞为参比电极，电沉积，即可。
优选的，所述电沉积具体为：在0.8-1.1V的恒电压下电沉积0.5-1h。
优选的，所述电解液中Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体的浓度依次为0.15-0.25mol/L、0.2-0.3mol/L、0.05-0.15mol/L、0.05-0.15mol/L。
2、由所述的方法制备的具有仿生分形结构的碳基材料。
3、所述的具有仿生分形结构的碳基材料作为光热转换材料的应用。
4、所述的具有仿生分形结构的碳基材料在制备光热转化装置中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法及产品和应用，在制备该材料过程中，首先将柚子皮经浸泡、冷冻干燥后进行碳化处理，是为了使柚子皮本身具有的微米尺度的多孔结构充分展开，冷冻干燥后使得充分舒展的微观结构固定，为碳化后的材料提供良好的多孔结构，也为后续电沉积提供充足的面积确保仿生分形结构的形貌合成，通过上述工艺能够保证最终制备的碳基材料具有良好的微米孔及纳米孔结构，后期再进行冲孔处理，赋予该材料毫米孔结构，从而使最终材料具有毫米孔、微米孔和纳米孔的多级孔结构，即具有宏观孔和微观孔结构，其中宏观孔结构具有光限域效应(如图1所示)，微观孔结构具有减反射效应(如图2所示)，两种效应结合使该材料的光谱吸收率高达98％，将该材料吸收太阳光模拟器的光，使其产生热量蒸发水，测得其上水的蒸发率高达1.945kg/m2·h，为单纯太阳光模拟器的光照射在纯水上，纯水蒸发速率的8倍，具有优异的光热转换性能。后期通过电化学沉积法沉积制备聚吡咯纳米线簇，使该材料由碳化骨架与表面的聚吡咯纳米线簇组成，碳化骨架本身具有的良好热稳定性以及化学稳定性，加之聚吡咯纳米线簇具有良好的空气稳定性，不溶不熔，使得该材料整体具有较高的稳定性，可以作为光热转换材料被广泛用于太阳能热利用领域，特别是太阳能蒸馏装置的制备。该材料制备方法简单，易操作，且原料易得，成本低，适合扩大化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明具有仿生分形结构的碳基材料中宏观孔结构光限域效应示意图；
图2为本发明具有仿生分形结构的碳基材料中微观孔结构减反射效应示意图；
图3为实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料的SEM图；
图4为新鲜柚子皮和实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料光谱吸收率测试结果图；
图5为实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料光热转换性能测试结果图；
图6为实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料热稳定性及化学稳定性测试结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
制备具有仿生分形结构的碳基材料
(1)将新鲜柚子皮于水中浸泡12h后冷冻干燥48h，然后置于管式加热炉中，于900℃，氮气气氛下热处理2h，获得碳化柚子皮，使用
Figure BDA0002589892090000031
空心钻刀对该碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，盲孔呈圆柱形，孔的深径比为2；
(2)将Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体加入水中，混匀后获得电解液，电解液中Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体的浓度依次为0.2mol/L、0.25mol/L、0.1mol/L、0.1mol/L，以步骤(1)中获得的具有若干盲孔的碳化柚子皮为工作电极，金属Pt为对电极，饱和甘汞为参比电极，在1.0V的恒电压下电沉积0.5h，制得具有仿生分形结构的碳基材料。
实施例2
制备具有仿生分形结构的碳基材料
(1)将新鲜柚子皮于水中浸泡5h后冷冻干燥72h，然后置于管式加热炉中，于700℃，氮气气氛下热处理1.5h，获得碳化柚子皮，使用
Figure BDA0002589892090000041
空心钻刀对该碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，盲孔呈圆柱形，孔的深径比为4；
(2)将Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体加入水中，混匀后获得电解液，电解液中Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体的浓度依次为0.25mol/L、0.2mol/L、0.05mol/L、0.15mol/L，以步骤(1)中获得的具有若干盲孔的碳化柚子皮为工作电极，金属Pt为对电极，饱和甘汞为参比电极，在1.1V的恒电压下电沉积0.5h，制得具有仿生分形结构的碳基材料。
实施例3
制备具有仿生分形结构的碳基材料
(1)将新鲜柚子皮于水中浸泡8h后冷冻干燥96h，然后置于管式加热炉中，于500℃，氮气气氛下热处理3h，获得碳化柚子皮，使用
Figure BDA0002589892090000042
空心钻刀对该碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，盲孔呈圆柱形，孔的深径比为1；
(2)将Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体加入水中，混匀后获得电解液，电解液中Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体的浓度依次为0.15mol/L、0.3mol/L、0.15mol/L、0.05mol/L，以步骤(1)中获得的具有若干盲孔的碳化柚子皮为工作电极，金属Pt为对电极，饱和甘汞为参比电极，在0.8V的恒电压下电沉积1h，制得具有仿生分形结构的碳基材料。
图3为实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料的SEM图，由图3可知，该碳基材料具有毫米孔、微米孔和纳米孔的多级孔结构，且存在自相似现象。
图4为新鲜柚子皮和实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料光谱吸收率测试结果图，由图4可知，实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料的光谱吸收率高达98％，具有优异的光谱吸收性能。
将装有一定量水的烧杯放入天平中，烧杯中的水通过无纺布作为水的通道，吸到实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料上，并以太阳光模拟器产生的光照射，此时以电脑对烧杯中水的质量变化进行实时监控，同时，以太阳光模拟器产生的光直接照射烧杯中的水，同样以电脑对烧杯中水的质量变化进行实时监控，测试结果见图5，由图5可知，实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料能够使材料表面的水迅速蒸发导致质量变化量迅速增大，而单纯烧杯中的水，在相同光强的照射下，其蒸发极缓慢，质量变化量小。按照上述方法，对实施例1中具有仿生分形结构的碳基材料对其上水的蒸发率进行多次测试，测试结果见图6，该材料对其上水的蒸发率(通过质量变化量曲线斜率算得)均保持在1.945kg/(m2·h)左右，说明该材料不但具有优异的光热转换性能，还具有较高的热稳定性及化学稳定性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于柚子皮具有仿生分形结构的碳基材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将柚子皮经浸泡、冷冻干燥后进行碳化处理，获得碳化柚子皮，对所述碳化柚子皮表面进行冲孔处理，获得具有若干盲孔的碳化柚子皮，最后通过电化学沉积法在所述具有若干盲孔的碳化柚子皮的表面沉积制备聚吡咯纳米线簇，即可；
所述冲孔处理的具体操作：使用Φ2mm或Φ6mm空心钻刀对该碳化柚子皮表面进行冲孔处理；
所述浸泡具体为：于水中浸泡5-12h；
所述冷冻干燥的时间为48-96h；
所述碳化处理具体为：于500-900℃，保护气氛下热处理1.5-3h；
所述盲孔为柱形孔，锥形孔或上部为柱形孔、下部为锥形孔；
所述盲孔为阶梯盲孔；
通过电化学沉积法在所述具有若干盲孔的碳化柚子皮的表面沉积制备聚吡咯纳米线簇的方法如下：
将Na2HPO4、NaH2PO4、对甲苯亚磺酸钠和吡咯单体加入水中，混匀后获得电解液，以具有若干盲孔的碳化柚子皮为工作电极，金属Pt为对电极，饱和甘汞为参比电极，电沉积，即可。
2.由权利要求1所述的方法制备的具有仿生分形结构的碳基材料。
3.权利要求2所述的具有仿生分形结构的碳基材料作为光热转换材料的应用。
4.权利要求2所述的具有仿生分形结构的碳基材料在制备光热转化装置中的应用。
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