CN111960402A - 一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：制备Cu2S悬浊液；步骤二：制备有机凝胶；步骤三：制备含Cu2S的有机凝胶；步骤四：将含Cu2S的凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶；步骤五：碳化制备含Cu2S的碳气凝胶。本发明的制备方法工艺合成及控制所需仪器设备简单，通过该方法制备的含Cu2S的碳气凝胶具有高度发达的孔隙，为水的运输和水蒸气的逃离提供途径，同时具有较好的吸光性能，有利于将光能转化为热能，是一种优异的光热材料，在太阳能光热转换领域具有广阔的应用前景。

Description

一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光热转换材料，具体涉及一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法。
技术背景
能源是人们赖以生存和发展的重要基石。近年来，随着社会的发展和急遽的人口增长，煤炭、石油、天然气等传统的不可再生能源迅速消耗，逐渐难以满足人们的生存和发展需求，同时化石燃料的大量使用也造成了巨大的环境污染问题。因此寻求绿色、高效、安全的新型可再生能源并进行利用，具有极其重要的意义。与生物能、风能和潮汐能等新能源相比，太阳能具有获取方便、来源丰富等特点，因而如何便捷高效地利用太阳能成为人们亟待解决的关键问题。太阳能的利用方式主要有三种，分别是光电转换、光热转换及光化学转换。在光热转换中，利用太阳能将水加热，进而产生蒸汽是一种绿色、全新的太阳能利用方式，它在光热发电、医疗消毒、污水净化及海水脱盐及生产高压蒸汽等领域中拥有广泛的应用前景。
太阳能光热转换技术是指将太阳辐射能转换为热能的利用技术。其中，太阳能光热转换产生水蒸气是一种高效、全新的太阳能利用方式，这在污水处理、海水淡化、脱盐及生产高压蒸汽等领域具有广泛的应用前景。目前利用太阳能产生蒸汽的主要途径是：利用光热材料吸收太阳辐射能，将累积产生的热量直接或间接地通过导热流体(如导热油等)传导给容器中大体积的水进行加热。由于传热介质的存在，这种产生蒸汽的方式在过程中存在着巨大的热损失，甚至需要真空条件以抑制对流传热造成的热损失。不仅如此，为了尽可能地提高加热温度，传统方法中还会使用大量的复杂装置(如抛物面聚光槽、凸透镜、定日镜等)进行聚光以提高太阳辐射能量，这些聚光装置不仅造价昂贵，而且会占据巨大的空间，使得整个光热转换系统需要很大的投资才能投入使用，因此，如何在保证高效的蒸汽生成速率的同时，尽可能地抑制光热转换系统中的热损失、降低系统的综合成本成为了人们亟待解决的重要问题。
新型的光热转换产生水蒸气装置通常是使光热转换材料漂浮在液体表面，使尽可能多的热能集中在表面的液体薄层，避免热能向水下传导，创建集中加热区域以提高能量利用率，改善水蒸发速率。这就要求光热转换材料应具备一定的透过性，使得水蒸气能够顺利逸出装置。而传统的光热转换材料通常以不透光的片状材料为基体，如合金板材、金属板材等，尽管其光热转换效率较高，但由于其不透过的性质，使其应用在光热转换产生水蒸气的装置中较为困难，在没有光热转换材料的条件下，当光照强度为1kW/m2时，水的蒸发速率约为0.222kg/m2·h-1。
专利CN108914107B公开了一种铜基网状光热转换材料的制备方法，它涉及一种光热转换材料的制备方法：一、紫铜网预处理；二、化学浴沉积，得到铜基网状光热转换材料。然而该方法对于材料的要求较为严苛只能使用紫铜网，紫铜网预处理时间要严格控制，化学浴沉积过程对温度要求严格。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将Cu(NO3)2·6H2O和Na2S2O3溶解在水中，得到溶液，在搅拌的条件下逐滴加入乙二醇，得到悬浊液；
步骤二：按摩尔比苯酚：间甲酚：糠醛＝1:1:4加入到反应器中，加入正丙醇作为溶剂，加入盐酸为催化剂，常温搅拌24小时后，得到有机凝胶；
步骤三：将步骤一中所得的悬浊液加入到步骤二所得的有机凝胶中，水浴加热，反应50小时，得到含Cu2S的有机凝胶；
步骤四：将含Cu2S的有机凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶；
步骤五：将步骤四所得的含Cu2S的有机气凝胶置于石英舟内，放入石英管管式炉中，在氮气氛围中，以10℃/min的速率升温到450℃，保持10分钟后，以15℃/min的速率升温到900℃，保持3小时，冷却取出，得到含Cu2S的碳气凝胶。
所述步骤一中Cu(NO3)2·6H2O、Na2S2O3和乙二醇的摩尔比为Cu(NO3)2·6H2O：Na2S2O3:乙二醇＝1:1～1:0.2～0.5。
所述步骤二中正丙醇的质量为苯酚、间甲酚和糠醛总质量的2倍；
所述步骤二中盐酸的浓度为0.1mol/L，苯酚与盐酸的摩尔比为1:0.03～0.2。
所述步骤三中水浴温度为95℃。
所述步骤五中氮气流速为90mL/min。
本发明的有益效果如下：
本发明公开的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，工艺合成及控制所需仪器设备简单，通过该方法制备的含Cu2S的碳气凝胶具有高度发达的孔隙，为水的运输和水蒸气的逃离提供途径；并且通过该方法制备的含Cu2S的碳气凝胶具有较大的比表面积，为水蒸发提供更多的汽化面积。制备Cu2S的原料廉价易得，并且Cu2S在紫外-可见光的光谱区域有着较强的吸收光的作用，进一步地，Cu2S中的过渡金属离子Cu2+的d-d跃迁，可以在近红外区域产生吸收作用，因此通过该方法制备的含Cu2S的碳气凝胶具有较好的吸光性能，有利于将光能转化为热能。同时含Cu2S的碳气凝胶具有优异的保温性，有利于太阳能水蒸发的过程温度的保持。综合以上优点，本发明提供的方法及由此制备得到的Cu2S碳气凝胶，是一种优异的光热材料，在太阳能光热转换领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备得到的光热材料的的XRD扫描图。
图2为实施例1制备得到的光热材料的扫描电镜图。
图3为实施例1-3和对比例1应用于水的蒸发速率曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
以下实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所用的试剂，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将1mol的Cu(NO3)2·6H2O和1mol的Na2S2O3溶解在水中，得到溶液，在搅拌的条件下逐滴加入乙二醇0.2mol，得到悬浊液。
步骤二：将1mol的苯酚、1mol的间甲酚、4mol的糠醛加入到反应器中，加入正丙醇作为溶剂，加入0.3L0.1mol/L的盐酸为催化剂，常温搅拌24小时后，得到有机凝胶。
步骤三：将步骤一中所得的悬浊液加入到步骤二所得的前驱体A中，95℃的水浴加热，反应50小时，得到含Cu2S的有机凝胶。
步骤四：将含Cu2S的有机凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶。
步骤五：将步骤四所得的含Cu2S的有机气凝胶置于石英舟内，放入装有石英管的管式炉中，在流速为90mL/min的氮气氛围中，以10℃/min的速率升温到450℃，保持10分钟后，以15℃/min的速率升温到900℃，保持3小时，冷却取出，得到含Cu2S的碳气凝胶。
所述步骤二中正丙醇的质量为苯酚、间甲酚和糠醛总质量的2倍。
将实施例1所制得的Cu2S的碳气凝胶进行XRD与扫描电镜测试，得到的结果如图1和图2所示。
实施例2
一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将1mol的Cu(NO3)2·6H2O和1.5mol的Na2S2O3溶解在水中，得到溶液，在搅拌的条件下逐滴加入乙二醇0.3mol，得到黄绿色的悬浊液。
步骤二：将1mol的苯酚、1mol的间甲酚、4mol的糠醛加入到反应器中，加入正丙醇作为溶剂，加入1.2mL0.1mol/L的盐酸为催化剂，常温搅拌24小时后，得到有机凝胶。
步骤三：将步骤一中所得的悬浊液加入到步骤二所得的前驱体A中，95℃的水浴加热，反应50小时，得到含Cu2S的有机凝胶。
步骤四：将含Cu2S的有机凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶。
步骤五：将步骤四所得的含Cu7S4的有机气凝胶置于石英舟内，放入装有石英管的管式炉中，在流速为90mL/min的氮气氛围中，以10℃/min的速率升温到450℃，保持10分钟后，以15℃/min的速率升温到900℃，保持3小时，冷却取出，得到含Cu2S的碳气凝胶。
所述步骤二中正丙醇的质量为苯酚、间甲酚和糠醛总质量的2倍。
实施例3
一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将1mol的Cu(NO3)2·6H2O和2mol的Na2S2O3溶解在水中，得到溶液，在搅拌的条件下逐滴加入乙二醇0.5mol，得到黄绿色的悬浊液。
步骤二：将1mol的苯酚、1mol的间甲酚、4mol的糠醛加入到反应器中，加入正丙醇作为溶剂，加入2mL0.1mol/L的盐酸为催化剂，常温搅拌24小时后，得到有机凝胶。
步骤三：将步骤一中所得的悬浊液加入到步骤二所得的前驱体A中，95℃的水浴加热，反应50小时，得到含Cu2S的有机凝胶。
步骤四：将含Cu2S的有机凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶。
步骤五：将步骤四所得的含Cu7S4的有机气凝胶置于石英舟内，放入装有石英管的管式炉中，在流速为90mL/min的氮气氛围中，以10℃/min的速率升温到450℃，保持10分钟后，以15℃/min的速率升温到900℃，保持3小时，冷却取出，得到含Cu2S的碳气凝胶。
所述步骤二中正丙醇的质量为苯酚、间甲酚和糠醛总质量的2倍。
对比1
参照专利CN110713203A实施例1制备材料。
应用试验：
对实施例1-3和对比例1所制备的材料进行蒸发速率性能测试：蒸发速率性能测试使用氙灯模拟太阳光，调节光照强度为1kW/m2，测试时间为1h，样品面积为3.14×0.018m×0.018m＝0.001017m2；测试过程中使用电子天平来记录质量变化，使用秒表记录时间变化。蒸发速率性能测试及拟合结果如图3所示。
从图3可以得出，用本发明公开的制备方法所制备的含Cu2S的碳气凝胶材料的水蒸发速率更快，适合用于太阳能光热转换。

Claims (6)

1.一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一：将Cu(NO3)2·6H2O和Na2S2O3溶解在水中，得到溶液，在搅拌的条件下逐滴加入乙二醇，得到悬浊液；
步骤二：按摩尔比苯酚：间甲酚：糠醛＝1:1:4加入到反应器中，加入正丙醇作为溶剂，加入盐酸为催化剂，常温搅拌24小时后，得到有机凝胶；
步骤三：将步骤一中所得的悬浊液加入到步骤二所得的有机凝胶中，水浴加热，反应50小时，得到含Cu2S的有机凝胶；
步骤四：将含Cu2S的有机凝胶用超临界正丙醇进行干燥，得到含Cu2S的有机气凝胶；
步骤五：将步骤四所得的含Cu2S的有机气凝胶置于石英舟内，放入石英管管式炉中，在氮气氛围中，以10℃/min的速率升温到450℃，保持10分钟后，以15℃/min的速率升温到900℃，保持3小时，冷却取出，得到含Cu2S的碳气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中Cu(NO3)2·6H2O、Na2S2O3和乙二醇的摩尔比为Cu(NO3)2·6H2O:Na2S2O3:乙二醇＝1:1～1:0.2～0.5。
3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中正丙醇的质量为苯酚、间甲酚和糠醛总质量的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中盐酸的浓度为0.1mol/L，苯酚与盐酸的摩尔比为1:0.03～0.2。
5.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中水浴温度为95℃。
6.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水蒸发的光热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤五中氮气流速为90mL/min。
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