CN112341738A - 一种3d自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料及其制备方法，首先分别将2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片和PVA分散在水中，搅拌均匀，混和，得到均质悬浮液，并进行水热处理，冷冻干燥，得到了所述的用于海水淡化和污水处理的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转化材料。本发明所述3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料具有宽光谱吸收，且兼具自漂浮性能和低热导率，这有利于局域高温的产生，促进水的蒸发，可以防止热能的大量损失，因而实现高的水蒸发速率和光热转换效率。该材料制造方便，工艺简单，原料广泛，成本低，有望成为解决淡水资源短缺的一种有效材料。
Description
技术领域
本发明涉及界面太阳能光热蒸汽转换领域，特别是涉及一种3D自漂浮隔热高效光热 蒸汽转换材料及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种储量丰富、可持续的、清洁的能源，它在光电转化、光催化、太阳能热转化等领域有着广阔的应用。基于太阳能热转换，水蒸发被认为是从污水和海水中提取饮用水的一种简单、方便且经济可持续的方法。传统的太阳能水蒸发系统通过光热材料收集太阳能并转化为热能加热大体相的水，由于水体与环境之间的热损失降低了太阳能的利用效率。为了减少热量损失，人们开始致力于高效的界面光热转化器件的研究。目前研发的太阳能蒸发器多数以绝热材料为支撑体，与吸光材料组装成太阳能水蒸发装置，其虽拥有高的光热转换效率，但是复杂的结构和高成本的材料限制了太阳能蒸发器的实用性。因此亟需开发一种低成本、简单且具有自漂浮结构的太阳能蒸发器。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材 料及其制备方法，旨在解决现有光热转换材料的效率低、热损失大、结构复杂、成本高的问题。本发明制备过程环保、简单、成本低。通过水热处理将2D层状结构的氧化石墨烯 复合纳米片与PVA复合，PVA的引入改善了材料的亲水性和机械性能。制备的2D层状结 构的氧化石墨复合纳米片与PVA复合光热转换材料无需支撑材料和绝热材料直接作为太 阳能蒸发器。利用氙灯模拟太阳光，直接照射在漂浮在水面上的光热转换材料上进行界面 光热转换，多孔结构为水的供给提供理想的通道，同时这些通道为水蒸气顺利地逸出提供 了良好的途径。另外丰富的孔结构降低了复合材料的导热率，阻碍了热量向大体积水传递， 进而提高了光热转换效率，增加了水蒸发速率。
本发明公开了一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片分散在水中，充分搅拌至均匀分散；
2)配制聚乙烯醇PVA溶液；
3)将步骤2)中PVA溶液与步骤1)中2D层状结构的的氧化石墨烯复合纳米片溶液混和，充分搅拌，得到均质悬浮液；
4)将步骤3)中得到的均质悬浮液进行水热处理，冷冻干燥，得到3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转化材料。
进一步的，步骤1)中，2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片包括：氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片、氧化石墨烯/二硫化钼复合纳米片或氧化石墨烯/Ti3C2Tx等。
进一步的，步骤1)中，2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片的浓度为2～8mg/mL。
进一步的，步骤2)中，PVA溶液的制备方法为：将PVA加入水中，在95℃水浴中 溶解2h。
进一步的，步骤2)中，PVA的平均分子量大小为67000～89000。
进一步的，步骤3)中2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片与PVA的质量之比为1:1～ 1:10。
进一步的，步骤4)中水热的温度为100～180℃，水热时间为5～12h。
进一步的，步骤4)中采用的冷冻干燥，冷冻干燥温度为-50℃～-20℃，冷冻干燥时间为10～60h。
一种3D自漂浮隔热高效光热转换材料，其中，采用上述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法制得。
2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片的制备方法可参照专利CN106672951A，具体为：以氧化石墨为分散剂在水溶液中采用剥离设备剥离二维层状纳米材料，如石墨、二硫化钼、Ti3C2Tx等，剥离一定时间后离心分离，冷冻干燥得到2D层状结构的氧化石墨烯 复合纳米片。
本发明的有益效果：1)该方法简单、易操作，所用原料成本低、易大规模生产；2)本发明制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料能够自悬浮在水面，并不需要多孔材料支撑；3)本发明制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料具有丰富的孔结构，能够 有效地降低热量向大体积水传递，减少热量损失；4)本发明制备的3D自漂浮隔热高效光 热蒸汽转换材料中丰富的孔结构利于光的多次散色，有效提高了太阳光的吸收率；5)提 高了3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料高的光热转换率和水蒸发速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施 方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图 是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的微观结构扫描电 子显微镜示意图；
图2为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的水接触角示意图；
图3为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的紫外-可见-近红 外光谱示意图，其中，图3a为反射率，图3b为透过率；
图4为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在不同模拟强度光 照下水蒸发量随时间的变化曲线示意图；
图5为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在1.5倍太阳光强度下重复实验性能测试示意图；
图6为实施例1得到的一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在1.5倍太阳光强度下照射20min前后的红外热成像图，其中，图6a为照射0min的样品表面红外热成像图， 图6b为照射20min后样品表面红外热成像图，图6c为照射20min后样品侧面红外热成 像图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲 突就可以相互结合。
实施例1
氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片的制备步骤：
1)称取5g天然石墨，采用改进的Hummers法，对石墨进行氧化，经过盐酸和去离 子水的洗涤后，真空冷冻干燥，制备得到完全氧化石墨；
2)称取步骤1)中制备的氧化石墨750mg分散在500mL的去离子水中磁力搅拌2h 后形成1.5mg/mL的棕黄色的氧化石墨溶液；
3)向步骤2)中获得的氧化石墨溶液中加入18.7g的可膨石墨，磁力搅拌1h得到均质悬浮液；
4)将步骤3)中获得的均质悬浮液倒入1000mL不锈钢反应釜中，在高速均质机的作用下6000rpm剥离6h，获得的悬浮液在3000rpm下离心15min，-50℃下冷冻干燥30h， 得到氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片。
3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备步骤如下：
5)将步骤4)制备得到的0.12g氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片分散在60mL水溶液中， 充分搅拌得到均质悬浮液；
6)将0.36g PVA加入适量的水于95℃的水浴中溶解2h；
7)将步骤6)中的PVA溶液与步骤5)中的氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片溶液超声混和20min。
8)将步骤7)中得到的均质悬浮液放入100mL聚四氟乙烯内衬高压釜中，180℃水热处理8h，将制备好的水凝胶浸泡在去离子水中，重复多次，-45℃下冷冻干燥48h，得 到3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料。
图1为本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的扫描电子显微 镜(SEM)示意图。
从图1可以看出，石墨烯与PVA发生交联，构成了一个3D的网状结构。多孔结构能为水的供给提供理想的通道，同时这些通道为水蒸气顺利地逸出提供了良好的途径。另外大孔径可以改善水蒸气的输送，减少热扩散。
图2为本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料水接触角示意图， 从图2可以看出3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料拥有良好的亲水性，其在太阳能水 蒸发中起着关键性的作用。
图3为本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的紫外-可见-近 红外光谱图，从图3a和3b中可以看出制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在紫外-可见-近红外光区有较低的反射率和透过率，从而展现出较大的吸收率，吸收波段较宽，经计算，总太阳能吸收率可达94.5％。
图4为本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在不同强度模拟 太阳光照射下水蒸发量随时间的变化曲线示意图，从图4可以看出随着光强的增加，实施 例1制备的材料的水蒸发速率也在增加。
图5是本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料在1.5倍太阳光强度下进行10次循环试验的性能曲线。从图5可以看出，所述3D自漂浮隔热高效光热蒸 汽转换材料在10次循环中的水蒸发速率和光热转换效率较为稳定，分别维持在2.11kgm-2 h-1和90.3％，证明其具有良好的稳定性。
其中，对光热转换效率进行计算，计算公式如式1所示：
η＝(m×hlv)/Pin 式1，
η为光热转换效率，m为水蒸气的质量流量(kg m-2h-1)，hlv为水的汽化相变焓(J g-1)， Pin为太阳光的功率密度(kW m-2)。
图6是本发明实施例1制备的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的红外热成像图。 图6a,b,c分别是3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料漂浮在水面，在1.5倍太阳光强照 射0min的表面，20min后表面和侧面的红外热成像图。20min照射后材料表面的温度由24.3℃上升至53.0℃，而烧杯底部的温度几乎还是室温。这证明了3D自漂浮隔热高效光 热蒸汽转换材料无需绝热材料能直接阻止热量损失。
实施例2
氧化石墨烯/Ti3C2Tx复合纳米片的制备步骤：
1)称取5g天然石墨，采用改进的Hummers法，对石墨进行氧化，经过盐酸和去离 子水的洗涤后，真空冷冻干燥，制备得到完全氧化石墨；
2)称取步骤1)中制备的氧化石墨750mg分散在500mL的去离子水中磁力搅拌2h 后形成1.5mg mL-1的棕黄色的氧化石墨溶液；
3)向步骤2)获得的氧化石墨溶液中加入11.25g的Ti3C2Tx，磁力搅拌1h得到均质悬浮液；
4)将步骤3)中获得的均质悬浮液置于水浴超声波仪器中剥离2h，获得的悬浮液在3000rpm下离心15min，-50℃下冷冻干燥30h，得到氧化石墨烯/Ti3C2Tx复合纳米片。
3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备步骤如下：
5)将步骤4)制备得到的0.12g氧化石墨烯/Ti3C2Tx复合纳米片分散在60mL水溶液中，充分搅拌得到均匀的悬浮液；
6)将0.36g PVA加入适量的水于95℃的水浴中溶解2h；
7)将步骤6)中的PVA溶液与步骤5)中的氧化石墨烯/Ti3C2Tx复合纳米片溶液超声混和20min。
8)将7)中得到的均质悬浮液放入100mL聚四氟乙烯内衬高压釜中，120℃水热处理6h，将制备好的水凝胶浸泡在去离子水中，重复多次，-50℃下冷冻干燥50h，得到3D 自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料。
综上所述，本发明所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料拥有亲水性、多孔结 构、低热导率和低密度，优异的特性使其无需使用任何支撑和绝热材料可直接作为太阳能 蒸发器，将热集中在蒸发层表面，并有效地阻止了对体相水的热传递，这保证了光热转换 的高效性和高的蒸发速率。所述3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法操作简 单，条件温和，原料成本低，适合批量生产，产业化前景好。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运 用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地 实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片分散在水中，充分搅拌至均匀分散；
2)配制聚乙烯醇PVA溶液；
3)将步骤2)中PVA溶液与步骤1)中的2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片溶液混和，充分搅拌，得到均质悬浮液；
4)将步骤3)中得到的均质悬浮液进行水热处理，冷冻干燥，得到3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转化材料。
2.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片选自氧化石墨烯/石墨烯复合纳米片、氧化石墨烯/二硫化钼复合纳米片或氧化石墨烯/Ti3C2Tx复合纳米片中的一种。
3.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片的浓度为2～8mg/mL。
4.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的PVA溶液的制备方法为：将PVA加入水中，在95℃水浴中溶解2h。
5.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中2D层状结构的氧化石墨烯复合纳米片与PVA的质量之比为1:1～1:10。
6.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中水热的温度为100～180℃，水热时间为5～12h。
7.根据权力要求1所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中采用的冷冻干燥，冷冻干燥温度为-50℃～-20℃，冷冻干燥时间为10～60h。
8.一种3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料，其特征在于，利用权力要求1-7任一项所述的3D自漂浮隔热高效光热蒸汽转换材料的制备方法制备得到。
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