CN112934129B - 一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供包含第一高分子、第二高分子和/或小分子、纳米碳材料的纳米碳高分子溶液；以所述纳米碳高分子溶液充分浸润具有多级结构的碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到碳纳米管干凝胶；将其充分浸润于水中，获得高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。本发明基于碳纳米管气凝胶的三维多孔结构，在多种水凝胶复合的辅助作用下引入纳米碳，从而实现调节内部水分子结构和形态，制备得到可以在高湿度环境中进行高效光热界面水蒸发的碳纳米管水凝胶，该水凝胶具有较高的光吸收能力和多级孔结构，具有较高的自蒸发速率，在光热界面水蒸发领域中具有实际应用前景。

Description

一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种纳米碳水凝胶的制备，特别涉及一种应用在高湿度下的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶及其制备方法与应用，属于碳纳米管水凝胶合成技术领域。
背景技术
光热水蒸发作为一种新型的海水淡化技术，可以解决目前水资源短缺、污水处理、重金属污染等问题。目前碳质材料、生物材料、高分子凝胶等在光热水蒸发领域被广泛的研究，其中提高水蒸发效率和速率是面向实际应用的重要研究。
在光热水蒸发过程中，材料将太阳光的能量转换成热能用于加热内部的水。水在材料内部以自由水、界面水、结合水三种状态存在，其中蒸发过程中主要以界面水蒸发为主。通过内部的结构调控和设计，可以设计较高的界面水含量，从而实现高效的光热水蒸发。此外，在多孔材料内，水被多孔结构分散在限域空间内，限域空间内的水分子形成水分子团簇，从而导致水的蒸发焓降低。因此，多孔材料内部的水可以在室温下实现高效蒸发。
聚合物水凝胶具有丰富的水合网络，因此常被用于进行光热水蒸发的研究。通过在形成水凝胶的过程中添加聚苯胺、聚吡咯、Ti2O3等具有光热特性的光热材料，制备的复合凝胶具有优异的光热转换能力。聚合物水凝胶优势是可以通过聚合物网络结构设计，通过引入不同水合官能团的分子链，可以使得聚合物链与水分子间通过氢键作用形成更为丰富的水合网络。从而降低自由水，增加界面水含量。有研究表明在聚乙烯醇中添加壳聚糖，引入氮原子形成了更多的界面水，实现了对内部水含量的调控(Sci.Adv.,2019；5,eaaw5484)。此外，还有研究表明，水凝胶内带电离子或聚电解质的引入，也会改变水分子在内部的水合网络，从而实现对内部水分子的结构调控(Mater.Horiz.,2020,7,3187)。目前的聚合物水凝胶内部水的调控多是采用聚合物网络结构设计，来实现聚合物网络内水分子结构的水合状态设计(Adv.Mater.2020,32,2007012)。但是，通过在聚合物凝胶内添加光热材料，这种方法难以实现凝胶网络内部热量的连续分布，因此热利用效率较低。
石墨烯、碳纳米管等纳米碳材料的三维结构由于具有优异的光热转换能力，可以实现高效的光热转换。进一步的这些纳米碳可以使用定向冰晶生长冷冻干燥技术，设计出具有三维定向排列结构的聚集体，从而实现提高其水传输速率。但是，通过冷冻干燥技术制备的纳米碳三维聚集体其内部具有较大的孔，这是由于内部冷冻形成冰晶导致的，因此难以提供更多界面，难以实现高效的界面水蒸发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在高湿度环境下高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶及其制备方法，从而克服现有技术的不足。
本发明的另一目的在于提供所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶的应用。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶的制备方法，其包括：
提供具有多级结构的碳纳米管气凝胶；
提供至少包含第一高分子、第二高分子和/或小分子、纳米碳材料的纳米碳高分子溶液；
以所述纳米碳高分子溶液充分浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到至少第一高分子、第二高分子和/或小分子以及纳米碳材料修饰的碳纳米管干凝胶；
将所述碳纳米管干凝胶充分浸润于水中，获得高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
在一些优选实施例中，所述纳米碳材料包括石墨烯、碳纳米管、石墨炔、富勒烯、碳黑、炭微管、活性炭、石墨等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
在一些优选实施例中，所述第一高分子或第二高分子包括聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述的小分子可以是乙醇、十二烷基苯磺酸钠、乙酸等有机小分子，也可以是氯化铁、氯化钠、硫酸镍等无机金属盐等中的一种或者几种的组合。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，所述碳纳米管水凝胶具有由高分子凝胶网络、纳米碳材料、碳纳米管网络以非共价键交联构筑形成的三维互穿的双网络结构，所述双网络结构具有多级孔结构，其中，所述纳米碳材料负载于所述双网络结构中。
进一步地，所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶的吸光度为90～99％，透光率为0.1～5％，界面水含量为40～60％，光热转换温度为30～45℃。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶在一个太阳光的光强下，蒸发速率为1.8～4.3kgm-2h-1，蒸发效率为90～97％。
本发明实施例还提供了前述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶于海水淡化、污水处理或重金属盐处理等领域中的应用。
进一步地，所述应用为前述碳纳米管水凝胶在高湿度环境下、盐水环境中、染料废水中等情况下的光热水蒸发情况的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
较之现有研究的光热水蒸发材料，采用本发明的方法制备得到的碳纳米管水凝胶具有较强的光热转换能力，内部具有丰富的孔结构，高分子凝胶网络与碳纳米管网络交联形成稳定的网络结构。同时通过在碳纳米管内部进行高分子链结构设计，实现对凝胶网络内部的水合作用进行调控。纳米碳材料的引入，丰富了内部的孔结构，使得碳纳米管凝胶网络具有更多的界面水，因此可以实现高效的光热水蒸发。这些特性使得碳纳米管水凝胶可以应用在海水淡化、污水处理等领域。此外，纳米碳的引入和在碳纳米管内部进行分子设计，使得碳纳米管水凝胶在光热水蒸发的同时，还能进行海水重金属盐的处理。这种碳纳米管水凝胶在未来的海洋蓝色战略以及海洋环境处理、环境利用等方向有着广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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是本发明一典型实施例中一种在高湿度环境下高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶的SEM图；
图2是本发明一典型实施例中一种在高湿度环境下高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶的实物图；
图3是本发明一典型实施例中碳纳米管气凝胶在一个太阳光光强下稳定的红外热像图；
图4是本发明一典型实施例中纳米碳复合的碳纳米管干凝胶在一个太阳光光强下稳定的红外热像图；
图5是本发明一典型实施例1、2、5中的碳纳米管水凝胶在一个太阳光光强下的温度的变化示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中光热水蒸发材料的光热转换效率不足和水蒸发速率较低，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是通过化学气相沉积技术制备了碳纳米管气凝胶，碳纳米管气凝胶与纳米碳的高分子共混溶液复合，可以制备得到具有非共价交联化学结构稳定的碳纳米管水凝胶。如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等做进一步解释说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种在高湿度环境下高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶的制备方法，其包括：
提供具有多级结构的碳纳米管气凝胶；
提供至少包含第一高分子、第二高分子和/或小分子、纳米碳材料的纳米碳高分子溶液；
以所述纳米碳高分子溶液充分浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到至少第一高分子、第二高分子和/或小分子以及纳米碳材料修饰的碳纳米管干凝胶；
将所述碳纳米管干凝胶充分浸润于水中，获得高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
在一些优选实施例中，所述制备方法具体包括：
多级结构的碳纳米管(CNT)气凝胶；
高分子和高分子或高分子和小分子溶液共混制备具有复合结构的高分子溶液；
将纳米碳材料分散于高分子溶液中，形成纳米碳高分子溶液；
所述的碳纳米管气凝胶浸润于上述的纳米碳高分子溶液，烘干制备得到复合干凝胶，最后将碳纳米管干凝胶在水中泡发制备得到高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶。
在一些优选实施例中，所述碳纳米管气凝胶于纳米碳高分子溶液中的浸润温度为40～80℃，浸润时间为6～18h。
在一些更为具体的实施方案之中，所述制备方法还具体包括：将所述碳纳米管气凝胶浸渍于上述40～80℃的纳米碳高分子复合溶液中6～18h，从纳米碳高分子溶液中取出，之后于25～125℃优选30～120℃干燥(优选采用烘箱进行烘干)0.5～12h，获得所述的碳纳米管干凝胶。
进一步地，所述制备方法还具体包括：将所述碳纳米管干凝胶置于15～45℃的水中进行泡发0.5～3h，获得所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
在一些优选实施例中，所述第一高分子或第二高分子可以包括聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
在一些优选实施例中，所述小分子可以包括有机小分子、无机金属盐等，但不限于此。
进一步地，所述有机小分子包括乙醇、十二烷基苯磺酸钠、乙酸等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述无机金属盐包括氯化铁、氯化钠、硫酸镍等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
亦即，换一种角度讲，所述的小分子可以是乙醇、十二烷基苯磺酸钠、乙酸等有机小分子，也可以是氯化铁、氯化钠、硫酸镍等无机金属盐中的一种或者几种的组合。
在一些优选实施例中，所述制备方法具体包括：
提供至少包含第一高分子、第二高分子和/或小分子的高分子溶液；
向所述高分子溶液中加入纳米碳材料，形成所述纳米碳高分子溶液。
在一些优选实施例中，所述高分子溶液中第一高分子、第二高分子和/或小分子的组合的浓度为2～100mg/mL。亦即，所述高分子和高分子或高分子和小分子溶液的浓度为2～100mg/mL，溶液的配比为1：3～1：8。
在一些优选实施例中，所述第一高分子与第二高分子或小分子的体积比为1：3～1：8。
在一些优选实施例中，所述纳米碳材料可以包括石墨烯、碳纳米管(CNT)、石墨炔、富勒烯、碳黑、炭微管、活性炭、石墨(优选石墨粉)等中的任意一种或两组以上的组合，但不限于此。
在一些优选实施例中，所述纳米碳高分子溶液中纳米碳材料的浓度为5～400mg/mL。
在一些优选实施例中，所述气凝胶可以是三维结构无序的碳纳米管聚集体、也可以是三维有序生长的碳纳米管阵列。
在一些优选实施例中，所述碳纳米管气凝胶采用浮动催化化学气相沉积法及二次无定形碳沉积法制备而获得。
进一步地，所述碳纳米管气凝胶可以是单壁碳纳米管气凝胶、多壁碳纳米管气凝胶等，但不限于此。
进一步地，所述碳纳米管气凝胶在无定形碳的增强作用下，具有耐压缩特性。
进一步地，所述碳纳米管气凝胶可以按照现有文献公开的方法来制备。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶的内部具有由高分子凝胶网络、纳米碳材料、碳纳米管网络以非共价键交联构筑形成的三维互穿的双网络结构，所述双网络结构具有多级孔结构，其中，所述纳米碳材料负载于所述双网络结构中。
进一步地，所述双网络结构中纳米碳材料的负载量为20～60wt％。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶内部，纳米碳材料在高分子水链的辅助作用下，负载在碳纳米管链，使得三维的碳纳米管具有更大的比表面积，从而内部具有丰富的界面水。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶内部，由于纳米碳材料的存在，纳米碳材料与碳纳米管形成限域空间，因此碳纳米管水凝胶具有较低的蒸发潜热。
进一步地，所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶具有非共价交联结构，其吸光度可以达到90～99％，透光率为0.1～5％。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶界面水含量可以达到40～60％，光热转换温度可以达到30～45℃。
进一步地，所述的碳纳米管水凝胶干燥后制备形成的干凝胶光热温度可以达到60～80℃。
进一步地，所述碳纳米管水凝胶在一定的模拟太阳光(如一个太阳光的光强)下，蒸发速率可以达到1.8～4.3kg m-2h-1，蒸发效率可以达到90～97％。
进一步地，所述模拟太阳光的光功率密度可以为0.5～10kw/m2。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系前述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶于海水淡化、污水处理或重金属盐处理领域中的应用。
进一步地，所述的碳纳米管水凝胶可用于海水淡化、污水处理、重金属盐处理等可以进行水蒸发净化的领域。
综上所述，本发明基于碳纳米管气凝胶的三维多孔结构，在多种水凝胶复合的辅助作用下引入纳米碳，从而实现调节内部水分子结构和形态，制备得到可以在高湿度环境中进行高效光热界面水蒸发的碳纳米管水凝胶。该水凝胶具有较高的光吸收能力和多级孔结构，同时由于纳米碳的引入，能够构筑丰富的界面，从而形成更多的界面水，因此该水凝胶具有较高的自蒸发速率。因此，此方法促进了碳纳米管水凝胶在光热界面水蒸发领域的实际应用。
进一步地，本发明实施例还提供了前述碳纳米管水凝胶在高湿度环境下、盐水环境中、染料废水中等情况下的光热水蒸发情况的应用。
藉由前述制备工艺，本发明制备的碳纳米管水凝胶具有较强的光热转换能力，内部具有丰富的孔结构，形成丰富的界面水。高分子凝胶网络与碳纳米管网络交联形成稳定的网络结构。这些特性使得碳纳米管水凝胶在高盐度环境、高湿度环境具有优异的环境稳定性，在海水淡化、污水处理、重金属盐处理的过程中具有广泛的应用前景。
较之现有研究的光热水蒸发材料，采用本发明的方法制备得到的碳纳米管水凝胶具有较强的光热转换能力，内部具有丰富的孔结构。高分子凝胶网络与碳纳米管网络交联形成稳定的网络结构。同时通过在碳纳米管内部进行高分子链结构设计，实现对凝胶网络内部的水合作用进行调控。纳米碳材料的引入，丰富了内部的孔结构，使得碳纳米管凝胶网络具有更多的界面水，因此可以实现高效的光热水蒸发。这些特性使得碳纳米管水凝胶可以应用在海水淡化、污水处理等领域。此外，纳米碳的引入和在碳纳米管内部进行分子设计，使得碳纳米管水凝胶在光热水蒸发的同时，还能进行海水重金属盐的处理。这种碳纳米管水凝胶在未来的海洋蓝色战略以及海洋环境处理、环境利用等方向有着广阔的应用前景。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描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的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。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，实施例中的试验方法均按照常规条件进行。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的碳纳米管气凝胶均采用此方案制备：
(1)化学气相沉积系统(CVD)在氮气或氩气的保护性气体中以5～15℃/min的速率升温至800～1400℃，然后通入氢气/保护气混合气体，以乙醇、二氯苯等为碳源，二茂铁为催化剂，注入CVD系统，尾部生成笼状碳纳米管组装体。
(2)生成的碳纳米管组装体，置于CVD管式炉中，在氮气或氩气的保护性气体下，以5～15℃/min的速率升温至800～1400℃，通入乙醇、乙烯、甲烷、乙炔等碳源，保温10～120min，降温得到多孔耐压缩的碳纳米管气凝胶。
实施例1
使用激光切割机对上述制备的碳纳米管气凝胶裁剪成合适大小。配制浓度均为20mg/mL的聚乙二醇(PEG)和聚乙烯醇(PVA)溶液，两溶液以1：5体积比共混均匀搅拌24h，形成高分子混合溶液。
在所述高分子混合溶液中加入活性炭(AC)，通过细胞粉碎的方式超声分散4h，制备得到分散有活性炭(AC)的高分子混合溶液，所述活性炭在高分子溶液中的浓度为50mg/mL。将碳纳米管气凝胶浸泡于上述60℃的活性炭(AC)高分子混合溶液中8h，于80℃的烘箱中干燥12h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度25℃的去离子水中，泡发2h得到碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表1所示。
实施例2
本实施例中高分子混合溶液的制备同实施例1。
在所述高分子混合溶液中加入炭微管(CMT)，通过细胞粉碎的方式超声分散4h，制备得到分散有炭微管(CMT)的高分子混合溶液，所述炭微管在高分子溶液中的浓度为50mg/mL。将碳纳米管气凝胶浸泡于上述60℃的炭微管(CMT)高分子混合溶液中8h，于80℃的烘箱中干燥12h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度25℃的去离子水中，泡发1h得到碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表1所示。
实施例3
本实施例中高分子混合溶液的制备同实施例1。
在所述高分子混合溶液中加入石墨(graphite)，通过细胞粉碎的方式超声分散4h，制备得到分散有石墨(graphite)的高分子混合溶液，所述石墨在高分子溶液中的浓度为5mg/mL。将碳纳米管气凝胶浸泡于上述60℃的石墨(graphite)高分子混合溶液中8h，于80℃的烘箱中干燥12h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度25℃的去离子水中，泡发1h得到碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表1所示。
实施例4
本实施例中高分子混合溶液的制备同实施例1。
在所述高分子混合溶液中加入石墨炔(graphdiyne)，通过细胞粉碎的方式超声分散4h，制备得到分散有石墨炔(graphdiyne)的高分子混合溶液，所述炭微管在石墨炔溶液中的浓度为400mg/mL。将碳纳米管气凝胶浸泡于上述60℃的石墨炔(graphdiyne)高分子混合溶液中8h，于80℃的烘箱中干燥12h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度25℃的去离子水中，泡发2h得到碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1kmm-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表1所示。
经测试，实施例1至实施例4所获的碳纳米管水凝胶的光热温度、水蒸发速率测试结果对比见如下表1：
表1实施例1至实施例4所获的碳纳米管水凝胶的光热温度、水蒸发速率测试结果
Figure BDA0002921249650000091
实施例5
使用激光切割机对上述制备的碳纳米管气凝胶裁剪成合适大小。配制浓度均为20mg/mL的聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯亚胺(PEI)溶液，两溶液以1：5体积比共混均匀搅拌24h，形成高分子混合溶液。
在所述高分子混合溶液加入活性炭后的处理方式同实施例1，不同之处在于：浸润温度为40℃，浸润时间为18h，于25℃的烘箱中干燥12h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度15℃的去离子水中，泡发3h制备得到纳米活性炭负载的聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯亚胺(PEI)碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表2所示。
实施例6
使用激光切割机对上述制备的碳纳米管气凝胶裁剪成合适大小。配制浓度均为2mg/mL的聚苯乙烯磺酸(PSA)和聚丙烯酰胺(PAM)溶液，两溶液以1：3体积比共混均匀搅拌24h，形成高分子混合溶液。
在所述高分子混合溶液加入活性炭后的处理方式同实施例1，不同之处在于：浸润温度为80℃，浸润时间为6h，于125℃的烘箱中干燥0.5h得到碳纳米管干凝胶。将得到的碳纳米管干凝胶置于温度45℃的去离子水中，泡发0.5h制备得到纳米活性炭负载的聚苯乙烯磺酸(PSA)和聚丙烯酰胺(PAM)碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表2所示。
实施例7
使用激光切割机对上述制备的碳纳米管气凝胶裁剪成合适大小。配制浓度均为100mg/mL的聚丙烯酸钠(PAS)和聚苯乙烯磺酸钠(PSA)溶液，两溶液以1:8体积比共混均匀搅拌24h，形成高分子混合溶液。
在所述高分子混合溶液加入活性炭后的处理方式同实施例1，制备得到纳米活性炭负载的聚丙烯酸钠(PAS)和聚苯乙烯磺酸钠(PSA)碳纳米管水凝胶。进一步的研究其在光功率密度为1km m-2的模拟太阳光下水蒸发速率和光热转换温度，测试结果如表2所示。
经测试，实施例5至实施例7所获的碳纳米管水凝胶的光热温度、水蒸发速率测试结果对比见如下表2：
表2实施例5至实施例7所获的碳纳米管水凝胶的光热温度、水蒸发速率测试结果
Figure BDA0002921249650000101
进一步的，本发明一典型实施例中一种在高湿度环境下高效光热水蒸发的碳纳米管水凝胶的SEM图请参阅图1，碳纳米管水凝胶的实物图请参阅图2。
进一步的，采用红外热成像的方式对上述碳纳米管气凝胶在一个太阳光的光功率密度下，观察了其光热转换状态。图3表明了碳纳米管气凝胶具有非常优异的光热转换特性。
进一步的，采用红外热成像的方式对实施例1制备的CNT/PEG/PVA水凝胶在一个太阳光的光功率密度下，观察了其光热转换状态。图4表明了CNT/PEG/PVA水凝胶内部的热量被水分散有明显的降低。
进一步的，统计了实施例5-7制备碳纳米管水凝胶在一个太阳光的光功率密度下，其光热转换温度的变化。图5表明了纳米碳的引入减少了碳纳米管水凝胶内部的热量的分散。
除此之外，本案发明人还将实施例1中的聚乙烯醇分别替换为乙醇、乙酸、氯化铁、氯化钠、硫酸镍等小分子进行试验，也均取得了较好的结果。
除此之外，本案发明人还将实施例1中的活性炭分别替换为石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳黑等纳米碳材料进行试验，也均取得了较好的结果。
对照例1
本对照例与实施例1相比，不同之处在于：未在所述高分子混合溶液中加入活性炭(AC)。测试结果显示，所获碳纳米管水凝胶的光热温度为28.5℃，水蒸发速率为1.78kg m- 2h-1。
对照例2
本对照例与实施例1相比，不同之处在于：高分子混合溶液中仅含一种高分子聚乙二醇。测试结果显示，所获碳纳米管水凝胶的光热温度为28.2℃，水蒸发速率为1.72kg m- 2h-1。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (13)

1.一种高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶的制备方法，其特征在于包括：
提供具有多级结构的碳纳米管气凝胶；
提供至少包含第一高分子、第二高分子和/或小分子、纳米碳材料的纳米碳高分子溶液，所述第一高分子或第二高分子选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠中的任意一种或两组以上的组合；所述小分子选自有机小分子和/或无机金属盐，所述有机小分子选自乙醇、十二烷基苯磺酸钠、乙酸中的任意一种或两组以上的组合，所述无机金属盐选自氯化铁、氯化钠、硫酸镍中的任意一种或两组以上的组合；
以所述纳米碳高分子溶液充分浸润所述碳纳米管气凝胶表面，之后干燥，得到至少第一高分子、第二高分子和/或小分子以及纳米碳材料修饰的碳纳米管干凝胶；
将所述碳纳米管干凝胶充分浸润于水中，获得高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
提供至少包含第一高分子、第二高分子和/或小分子的高分子溶液；
向所述高分子溶液中加入纳米碳材料，形成所述纳米碳高分子溶液；
所述高分子溶液中第一高分子、第二高分子和/或小分子的组合的浓度为2~100 mg/mL；所述第一高分子与第二高分子或小分子的体积比为1：3~1：8。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述纳米碳材料包括石墨烯、碳纳米管、石墨炔、富勒烯、碳黑、炭微管、活性炭、石墨中的任意一种或两组以上的组合；
和/或，所述纳米碳高分子溶液中纳米碳材料的浓度为5~400 mg/mL。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管气凝胶于纳米碳高分子溶液中的浸润温度为40~80℃，浸润时间为6~18 h。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将所述碳纳米管气凝胶从纳米碳高分子溶液中取出，之后于25~125℃干燥0.5~12 h，获得所述的碳纳米管干凝胶；
和/或，所述制备方法包括：将所述碳纳米管干凝胶置于15~45℃的水中进行泡发0.5~3h，获得所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：将所述碳纳米管气凝胶从纳米碳高分子溶液中取出，之后于30~120℃干燥0.5~12 h，获得所述的碳纳米管干凝胶。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管气凝胶包括三维结构无序的碳纳米管聚集体和三维有序生长的碳纳米管阵列；和/或，所述碳纳米管气凝胶采用浮动催化化学气相沉积法及二次无定形碳沉积法制备而获得；和/或，所述碳纳米管气凝胶包括单壁碳纳米管气凝胶和/或多壁碳纳米管气凝胶。
8.由权利要求1-7中任一项所述方法制备的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，所述碳纳米管水凝胶具有由高分子凝胶网络、纳米碳材料、碳纳米管网络以非共价键交联构筑形成的三维互穿的双网络结构，所述双网络结构具有多级孔结构，其中，所述纳米碳材料负载于所述双网络结构中。
9.根据权利要求8所述的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，其特征在于：所述双网络结构中纳米碳材料的负载量为20~60wt%。
10.根据权利要求8所述的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，其特征在于：所述高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶的吸光率为90~99%，透光率为0.1~5%，界面水含量为40~60%，光热转换温度为30~45℃。
11.根据权利要求8所述的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，其特征在于：所述碳纳米管水凝胶干燥后形成的干凝胶光热温度为60~80℃。
12. 根据权利要求8所述的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶，其特征在于：所述碳纳米管水凝胶在一个太阳光的光强下，蒸发速率为1.8~4.3 kg m-2 h-1，蒸发效率为90~97%。
13.权利要求8-12中任一项所述的高效光热水蒸发碳纳米管水凝胶于海水淡化、污水处理或重金属盐处理领域中的应用。
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