CN112934131A - 石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，包括生物质纤维基底和包覆在生物质纤维基底上的石墨烯层，所述生物质纤维基底呈管状，石墨烯层的石墨烯呈片状。本发明还公开了前述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，将生物质原料水热处理后提取纤维，以生物质纤维为基底，负载铁离子和石墨烯，冷冻干燥后得到。本发明具有原料来源丰富、易制备加工、绿色环保的优点。

Description

石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料及其制备方 法和应用

技术领域

本发明涉及能源与生物质材料领域，尤其涉及一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代工业的快速发展，世界对能源的消耗和需求越来越大，能源短缺的问题日益突出，同时，我们也面临着越来越严重的水污染和水资源短缺问题。有效利用清洁且丰富的太阳能，将海水资源淡化再用或者将工业废水清洁化是解决水资源短缺的一种很有前途的方法。传统的太阳能蒸发技术由于工艺复杂、成本高等缺点，限制了其广泛应用；近年来，科研人员一直在寻找绿色、易制取、价格低廉、环境友好的太阳能界面光热转化材料。

常见的吸收太阳能的材料为贵金属氧化物、硫化物等与非贵金属的纳米材料，制备手段较为复杂，纳米纤维素基的气凝胶光热转化材料的研究报道与应用已经出现，但是当前纳米纤维素的制取工艺复杂，特别是大规模制备很难工业化。

木纤维细胞具有中空结构，其具有优异的毛细管效应，便于进行高效水传输；木质资源丰富，其纤维分离技术简单，而且纤维获取对原材料的要求低，甚至洁净的农林废弃物就可以作为原料。但是，木纤维的光吸收效率和光热转化率低，使得木纤维并不能作为良好的气凝胶界面光热转化材料使用，另一方面直接使用未处理的木纤维制备气凝胶界面光热转化材料，由于木纤维易吸水特性比重增加，且相互之间没有较强的相互作用，在使用时不能长时间稳定漂浮在液面上，气凝胶块体在长期使用后易松散而失去固有形态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原料来源丰富、绿色环保的石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，包括生物质纤维基底和包覆在生物质纤维基底上的石墨烯层，所述生物质纤维基底为呈管状的木纤维或竹纤维，石墨烯层的石墨烯呈片状，所述生物质纤维至少一部分未炭化。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料包括双层气凝胶，上层气凝胶的生物质纤维为炭化生物质纤维，下层气凝胶的生物质纤维为未炭化生物质纤维。

所述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料为表面具有疏水功能的气凝胶。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、从生物质原料中提取生物质纤维；所述生物质纤维为木纤维或竹纤维；

S2、将生物质纤维分散浸渍于金属盐溶液中，生物质纤维与金属离子充分结合后，抽滤洗涤，得金属离子修饰生物质纤维；

S3、将步骤S2所得金属离子修饰生物质纤维置于氧化石墨烯水溶液中，搅拌，得氧化石墨烯包覆生物质纤维；

S4、将步骤S3所得氧化石墨烯包覆生物质纤维和还原剂溶液混合，静置反应后，抽滤，得石墨烯包覆生物质纤维；

S5、将步骤S4所得石墨烯包覆生物质纤维在60～90℃水浴加热，形成水凝胶，经冷冻干燥后得到石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S5冷冻干燥后还包括疏水改性步骤，将冷冻干燥后的气凝胶在有机硅烷中浸泡，然后取出干燥。

所述步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：将步骤S1所得生物质纤维分成两部分，一部分炭化后浸渍于多巴胺溶液中，在生物质纤维表面修饰多巴胺层，另一部分未炭化，分别得到炭化生物质纤维和未炭化生物质纤维；

将炭化生物质纤维和未炭化生物质纤维分别重复S2至S4；

所述步骤S5具体包括以下步骤：将石墨烯包覆未炭化生物质纤维和石墨烯包覆炭化生物质纤维分别在60～90℃水浴加热，形成炭化水凝胶和未炭化水凝胶，将炭化水凝胶倒入到非炭化水凝胶上，得到双层水凝胶，经冷冻干燥后得到石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料。

所述步骤S2中，所述金属盐溶液的摩尔浓度为0.1～1.5mol/L，所述生物质纤维和金属盐溶液的质量和体积比为0.5～2g∶6～200mL；所述生物质纤维浸渍于金属盐溶液的时间为5～10h。如浓度或配比过高，导致制备的产品增重，难以漂浮在水面上。

在本发明中，金属离子溶液的摩尔浓度为0.1～1.5mol/L，若浓度低于0.1mol/L时，不利于在纤维上金属离子的饱和吸附，摩尔浓度高于1.5mol/L时成本过高。

本发明中，金属离子为铁盐溶液或铝盐溶液。

所述步骤S3中，所述氧化石墨烯水溶液的摩尔浓度为3～10mg/mL，所述金属离子修饰生物质纤维和氧化石墨烯水溶液的质量体积比为0.5～2g∶6～25mL。

所述步骤S4中，所述还原剂溶液的摩尔浓度为0.1～12mol/L，所述氧化石墨烯包覆生物质纤维和还原剂溶液的质量体积比为0.1～0.4g∶30～80mL。

所述步骤S4中，所述还原剂溶液为硼氢化钾溶液或聚乙烯亚胺溶液。

所述步骤S4中，石墨烯包覆的生物质纤维气凝胶和金属盐溶液的质量和体积比为0.5～2g∶0.5～3mL。

所述步骤S1中，所述强碱性溶液为NaOH溶液，浓度为0.1～10mol/L；所述水热处理的温度为100～180℃，水热处理时间为10～48h。

一种前述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料或者前述制备方法制备得到的石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料在海水淡化和废水处理中的应用。

本发明的主要创新点在于：

1.本发明利用一维木质纤维管(管状结构有利于利用毛细管作用达到高效水传输目的)构建三维木质纤维气凝胶网络，搭建了仿生的高效水传输毛细管网络，有效提高了光热蒸汽转化过程的水传输能力。

2.通过石墨烯片对纤维管外壁的包覆，不仅增强了木质纤维管对光的吸收能力和保热能力，从而提高光热转化效率，而且石墨烯的疏水性也使得三维木质纤维气凝胶能长时间稳定漂浮于液面上，有利于实现材料的高效光热蒸发应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用水热处理提取生物质原料中的生物质纤维，以可再生的木质纤维或竹质纤维为基底，先在基底上负载金属离子(本发明中金属离子为铁离子或铝离子，作为生物质纤维基底的修饰物质，是高价金属离子，利用高价金属离子对纤维基底修饰使其表面带正电，而在后续步骤中采用的氧化石墨烯本身带负电，通过正电吸引作用使氧化石墨烯片沉积于生物质纤维表面，便于后续通过静电吸附作用在基底管壁周围吸附包裹石墨烯)，再采用静电沉积技术将纳米石墨烯片均匀包覆于微米级尺寸木纤维管外壁，利用木纤维基于毛细管效应而能高效水传输的作用，包覆在木纤维外壁上的石墨烯层增强该材料的吸光能力和光热转化效率，管状木质纤维具有丰富的孔结构有效减少热量损失，构筑轻量化的石墨烯包覆木纤维气凝胶，克服了木纤维光吸收效率和光热转化率低、以及木纤维气凝胶不能稳定漂浮液面上的技术问题，能够应用在海水淡化和废水处理中。该材料具有热损失小、蒸发效率高的优势，可实现木资源的高效高值利用成本低廉、高效、绿色环保、易于工业化，该材料能充分利用太阳能，环境适应性强，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1的工艺流程图。

图2为本发明实施例1中光驱动水蒸发性能测试装置图。

图3为本发明实施例1中石墨烯包覆杉木纤维气凝胶的照片(a)(b)和对比例1中纯杉木纤维气凝胶的照片(c)(d)。

图4为本发明实施例1中石墨烯包覆杉木纤维气凝胶在氙灯照射前与照射11min时热成像对比图。

图5分别为本发明对比例1、实施例1、实施例2和实施例3气凝胶漂浮在水面的图像。

图6为本发明中不同气凝胶界面水分质量损失对比图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料均为市售。

本发明一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，包括生物质纤维基底和包覆在生物质纤维基底上的石墨烯层，生物质纤维基底呈管状的木纤维或竹纤维，石墨烯呈片状。本发明中，杉木纤维基底为微米纤维管，石墨烯为纳米石墨烯片。

本发明的一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：

1.取原木或竹切成2～3cm长的火材棒小段，放入浓度为0.1～10mol/L NaOH溶液(或其他强碱性溶液)中，100～180℃温度下水热处理分离木/竹材纤维，水热时间10～48h，将所得纤维状固体物质进行过滤洗涤，然后置于40～60℃烘箱中，干燥4～16h，得到分离好的木材纤维(或竹材纤维)。

2.取预处理得到的木材纤维(或竹材纤维)，置于0.1～1.5mol/L FeCl₃溶液中，搅拌5～10h后，使纤维与Fe³⁺充分结合，然后用去离子水洗涤并抽滤，得到Fe³⁺修饰的木纤维(或竹纤维)；

在本申请中，采用其他可溶性的铁盐或者其他高价的金属离子盐溶液实际上也可以实现，如铝盐溶液。

3.将Fe³⁺修饰的木纤维(或竹纤维)置于浓度为3～10mg/ml的氧化石墨烯水溶液中，搅拌0.5～10h后，得到氧化石墨烯包覆的纤维管。

4.称取一定量所制备的氧化石墨烯包覆的纤维管，加入还原剂溶液，静置反应1～12h，得石墨烯包覆木纤维(或竹纤维)；

5.将石墨烯包覆木纤维(或竹纤维)在60～90℃水浴加热0.5～5h，形成水凝胶，抽滤，冷冻干燥后获得石墨烯包覆木纤维(或竹材纤维)气凝胶界面光热转化材料。

还原剂为聚乙烯亚胺溶液或硼氢化钾溶液中的一种，聚乙烯亚胺溶液或硼氢化钾溶液的摩尔浓度为0.1～12mol/L。

本发明中，在步骤5冷冻干燥后还包括疏水改性步骤，所述疏水改性步骤具体包括以下步骤：将石墨烯包覆的木纤维(或竹材纤维)气凝胶在有机硅烷中浸泡3s～60s，然后取出置于40～60℃烘箱中，干燥时间1～2h，得到上层疏水改性下层保留亲水效果的石墨烯包覆的木/竹纤维气凝胶，即表层疏水的石墨烯包覆的木/竹纤维气凝胶。

本发明中有机硅烷为辛基三甲氧基硅烷，可采用其他有机硅烷进行疏水改性步骤。浸泡时间太短，达不到表层疏水效果(生物质纤维是起吸水和输送水的作用，石墨烯是作为催化水分转化的，木竹纤维吸水过多或者蒸发速度过慢，会导致漂浮的材料下沉，将生物质纤维炭化或表层浸渍有机硅均是为了让生物质纤维不再吸附过多的水，漂浮时间更长。)；时间太长，生物质纤维吸取过量的有机硅烷而致气凝胶密度过大，这样在光热转化实验过程时会下沉。本发明中有机硅烷的浸泡时间根据气凝胶的尺寸而调整。

本发明中将步骤2中纤维进行了炭化处理，并将炭化处理的纤维重复步骤2-4，再根据步骤5得到石墨烯包覆的炭化木纤维(或竹纤维)水凝胶，将石墨烯包覆的炭化木纤维(或竹纤维)水凝胶均匀倒入石墨烯包覆未炭化木纤维(或竹纤维)水凝胶上部，得到上层为石墨烯包覆的炭化木纤维(或竹纤维)水凝胶、下层为石墨烯包覆未炭化的木纤维(或竹纤维)水凝胶，即石墨烯包覆的双层木纤维(或竹纤维)水凝胶，冷冻干燥后获得石墨烯包覆的炭化-未炭化木纤维(或竹纤维)双层气凝胶。

实施例1：

一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，即石墨烯包覆杉木纤维气凝胶，包括杉木纤维基底和包覆在杉木纤维基底上的石墨烯层，杉木纤维基底呈管状(如图3b、d)，石墨烯呈片状，杉木纤维基底为未炭化杉木纤维。

如图1所示，一种本实施例的石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将杉木原木切成2～3cm长的火材棒大小后，放入浓度为5mol/L NaOH溶液(在其他实施例中，可采用其他强碱性溶液也可取得相同或相似的技术效果)中，150℃下水热处理24h提取纤维，将所得纤维状固体物质进行过滤洗涤，放于60℃烘箱中，干燥8h，得到分离的杉木纤维。

本实施例中采用原木提取木纤维，在其他实施例中，可采用原竹提取竹纤维也可取得相同或相似技术效果。

2)取步骤1)纤维0.2g，置于1mol/L FeCl₃溶液中，搅拌5h，使纤维与Fe³⁺充分结合，得混合液A，用去离子水洗涤并抽滤，得到Fe³⁺修饰的杉木纤维。

本实施例中，采用铁盐作为金属离子盐溶液，在其他实施例中，可采用铝盐溶液。

3)将步骤2)所得Fe³⁺修饰的纤维置于2.5ml浓度为5mg/ml的氧化石墨烯溶液中，得到混合液B，搅拌2h后，抽滤，得到氧化石墨烯包覆杉木纤维。

4)将步骤3)所得氧化石墨烯包覆纤维，0.5g硼氢化钾与100ml蒸馏水混合，静置反应2h，将氧化石墨烯还原成石墨烯，得石墨烯包覆杉木纤维。

5)将步骤4)所得石墨烯包覆纤维放入60℃水浴加热1.5h，形成水凝胶，抽滤，然后将凝胶状的纤维倒入烧杯中并铺平，冷冻干燥后获得石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料。

本实施例中，所用还原剂为硼氢化钾，在其他实施例中，还原剂可为聚乙烯亚胺或硼氢化钾溶液中的一种，也可取得相同或相似技术效果，作用是为了将负载到纤维上的氧化石墨烯还原。

本实施例制得的石墨烯包覆杉木纤维气凝胶如图3(a)、图3(b)所示，凝胶为深色的纤维交织状结构块体。

利用FLIR E5-XT红外热像仪拍摄了石墨烯包覆纤维气凝胶在氙灯照射前与照射11min时热成像照片并进行对比，图4(a)是石墨烯包覆纤维气凝胶在氙灯照射前的热成像照片，图4(b)是在石墨烯包覆纤维气凝胶氙灯照射11min后的热成像照片，照射前后气凝胶上层温度的从12.4℃上升112.0℃，由此可以得出石墨烯包覆纤维气凝胶具有吸光集热能力，能够用于海水淡化和废水处理中。

对比例1：

本对比例一种纯木质纤维气凝胶，未对纤维进行金属离子负载和石墨烯包覆处理，其制备方法具体包括以下步骤：

1)将杉木原木切成2～3cm长的火材棒大小小段，放入浓度为5mol/L NaOH溶液(或其他强碱性溶液)中，150℃下水热处理提取纤维，水热时间24h，将所得纤维状固体物质进行过滤洗涤，放于60℃烘箱中，干燥时间8h，得到分离的杉木纤维。

2)取杉木分离得到的干燥的纤维0.2g，加2ml水搅拌，置于60℃水浴加热1.5h，形成水凝胶，抽滤后将凝胶状的纤维倒入烧杯中并铺平，冷冻干燥后获得纯杉木纤维气凝胶。

作为对比，制得的纯木纤维气凝胶如图3(c)(d)，没有石墨烯包覆的凝胶是浅色的纤维结构块体。

实施例2：

一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，是石墨烯包覆炭化-未炭化杉木纤维(以下简称“纤维”)双层气凝胶，包括杉木纤维基底和包覆在杉木纤维基底上的石墨烯层，杉木纤维基底呈管状，石墨烯，杉木纤维为炭化杉木纤维和未炭化杉木纤维，呈片状。

一种本实施例的石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将杉木原木切成2～3cm长的火材棒大小小段，放入浓度为5mol/L NaOH溶液(在其他实施例中，可采用其他强碱性溶液也可取得相同或相似的技术效果)中，140℃下水热处理24h提取纤维，将所得纤维状固体物质进行过滤洗涤，放于60℃烘箱中，干燥8h，得到分离的纤维。

2)取步骤1)中的纤维0.2g，放入管式炉中通氩气保护，以5℃/min的升温速度升温至240℃并保温2h，得到炭化的纤维。炭化后的纤维置于30ml的2mg/ml的多巴胺溶液中，搅拌8h后停止，将得到的多巴胺和炭化纤维的混合溶液进行抽滤，直至没有水滴滴下为止，然后置于60℃烘箱中，干燥时间2h，得到多巴胺修饰的炭化木材纤维。

3)分别取步骤1)中的纤维0.2g和步骤2)中多巴胺修饰的炭化纤维，置于1mol/LFeCl₃溶液中，搅拌5h后，使纤维与Fe³⁺充分结合，得混合液A和混合液A’，分别用去离子水洗涤并抽滤，得到Fe³⁺修饰的未经炭化处理纤维和Fe³⁺修饰的炭化处理纤维；

4)将Fe³⁺修饰的未经炭化处理纤维和Fe³⁺修饰的炭化处理纤维分别再置于2.5ml浓度为5mg/ml的氧化石墨烯溶液中，得到混合液B和混合液B’，搅拌2h后，抽滤，分别得到氧化石墨烯包覆的未经炭化处理纤维与氧化石墨烯包覆的炭化纤维。

5)分别取步骤4)中制备的氧化石墨烯包覆的未炭化纤维与氧化石墨烯包覆的炭化纤维，加入0.5g硼氢化钾与50ml蒸馏水混合静置反应，静置反应10h，然后放入60℃水浴加热1.5h，分别形成石墨烯包覆的未炭化纤维水凝胶(记为E水凝胶)与石墨烯包覆的炭化纤维水凝胶(记为F水凝胶)。

6)将F水凝胶均匀倒在E水凝胶上部，得到石墨烯包覆的炭化-未炭化纤维双层水凝胶。冷冻干燥后获得石墨烯包覆的炭化-未炭化纤维双层气凝胶。

在本发明中，由于炭化纤维水凝胶具有疏水作用，因此应用时，F水凝胶必须位于E水凝胶上部才能取得疏水效果。制备得到的双层气凝胶上下两部分(炭化层和未炭化层)厚度相同。如果气凝胶全部采用炭化纤维制成，气凝胶无法吸水，无法取得本实施例的技术效果，如果炭化层的厚度较小，也无法取得本实施例所能取得的技术效果。

本实施例中，所用还原剂为硼氢化钾，在其他实施例中，还原剂可为聚乙烯亚胺或硼氢化钾溶液中的一种，也可取得相同或相似技术效果，作用是为了将负载到纤维上的氧化石墨烯还原。

实施例3：

一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，是石墨烯包覆的纤维单表层疏水气凝胶，包括杉木纤维基底和包覆在杉木纤维基底上的石墨烯层，杉木纤维基底呈管状，杉木纤维为未炭化杉木纤维，石墨烯呈片状。

一种石墨烯包覆的生物质杉木纤维单表层疏水的气凝胶界面光热转化材料，具体包括以下步骤：

1)将杉木原木切成2～3cm长火材棒大小小段，放入浓度为5mol/L NaOH溶液(或其他强碱性溶液)中，150℃下水热处理提取纤维，水热时间24h，将所得纤维状固体物质进行过滤洗涤，放于60℃烘箱中，干燥时间8h，得到分离的纤维。

2)取步骤1)中的纤维0.2g，置于1mol/L FeCl₃溶液中，搅拌5h，得混合液A，用去离子水洗涤并抽滤，得到Fe³⁺修饰的纤维；

3)将Fe³⁺修饰的纤维再置于2.5ml浓度为5mg/ml的氧化石墨烯溶液中，得到混合液B，搅拌2h后，抽滤，得到氧化石墨烯包覆的纤维。

4)将步骤3)所得0.4g氧化石墨烯包覆的纤维，加入0.9g硼氢化钾与180ml蒸馏水混合静置反应2h，将氧化石墨烯还原成石墨烯，得石墨烯包覆纤维。

5)将步骤4)所得石墨烯包覆纤维放入60℃水浴加热1.5h，形成水凝胶，抽滤，然后将凝胶状纤维倒入烧杯中并铺平，冷冻干燥后获得石墨烯包覆的纤维气凝胶。

6)将步骤5)中得到的石墨烯包覆的纤维气凝胶在1ml辛基三甲氧基硅烷中浸泡5s，然后取出立即置于60℃烘箱中，干燥时间2h，得到石墨烯包覆的纤维单表层疏水的气凝胶。

通过如图2所示的样品光驱动水蒸发性能测定装置进行水蒸发性能测试：在烧杯上方30～35cm处用氙灯模拟太阳光，作为光源照射样品。调节光源至一个标准太阳光强度，用TES-1333高精度太阳能功率表测得烧杯口处光强度为1000Wm^-2。在装有水的塑料烧杯中分别放入实施例1制得的石墨烯包覆纤维气凝胶和对比例1制得的纯杉木纤维气凝胶。FLIRE5-XT红外热像仪用于拍摄被测试样品的热成像照片，测定温度的变化。通过电子天平记录测试液体质量变化，并连接将数据传输至电脑，通过计算加入与未加入样品前后水的质量随时间的变化快慢，从而对比得出样品对水蒸发速率的影响。

图5a、5b、5c、5d分别为对比例1中纯纤维气凝胶、实施例1石墨烯包覆纤维气凝胶、实施例2石墨烯包覆炭化-未炭化纤维双层气凝胶、实施例3石墨烯包覆单面疏水改性纤维气凝胶的短时间飘浮在水面的图片，短时间内都是可以使用，但长时间处理对比例1的其稳定性较差。由于对比例1没有经过改性处理，吸水性超好，吸水达到一定的度会下沉，无法长时间稳定漂浮在水面上。

测试黑暗条件下的烧杯中放入纯水的蒸发速率和在一个标准太阳光强度(1000Wm^-2)下烧杯中水的蒸发速率，测得无光照情况下烧杯中水的质量几乎无变化；在未加入样品时，一个标准太阳光强度下水蒸发速率为0.367kg m^-2h^-1；加入对比例1制得的纯木纤维气凝胶后水蒸发速率达到0.812kg m^-2h^-1；加入实施例1制得的石墨烯包覆木纤维气凝胶后水蒸发速率达到1.242kg m^-2h^-1。结果表明，加入实施例1的石墨烯包覆木纤维气凝胶界面光热转化材料后，水蒸发速率比水在光照下自然蒸发速率提升达238.4％。

本发明中不同气凝胶界面水分质量损失对比图如图6所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料，其特征在于：所述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料包括生物质纤维基底和包覆在生物质纤维基底上的石墨烯层，所述生物质纤维基底为呈管状的木纤维或竹纤维，石墨烯层的石墨烯呈片状。

2.一种石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、从生物质原料中提取生物质纤维；所述生物质纤维为木纤维或竹纤维；

S2、将生物质纤维分散浸渍于金属盐溶液中，生物质纤维与金属离子充分结合后，抽滤洗涤，得金属离子修饰生物质纤维；

S3、将步骤S2所得金属离子修饰生物质纤维置于氧化石墨烯水溶液中，搅拌，得氧化石墨烯包覆生物质纤维；

S4、将步骤S3所得氧化石墨烯包覆生物质纤维和还原剂溶液混合，静置反应后，抽滤，得石墨烯包覆生物质纤维；

S5、将步骤S4所得石墨烯包覆生物质纤维在60～90℃水浴加热，形成水凝胶，经冷冻干燥后得到石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S5冷冻干燥后还包括疏水改性步骤，将冷冻干燥后的气凝胶在有机硅烷中浸泡，然后取出干燥。

4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：将步骤S1所得生物质纤维分成两部分，一部分炭化后浸渍于多巴胺溶液中，在生物质纤维表面修饰多巴胺层，另一部分未炭化，分别得到炭化生物质纤维和未炭化生物质纤维；

将炭化生物质纤维和未炭化生物质纤维分别重复S2至S4；

所述步骤S5具体包括以下步骤：将石墨烯包覆未炭化生物质纤维和石墨烯包覆炭化生物质纤维分别在60～90℃水浴加热，形成炭化水凝胶和未炭化水凝胶，将炭化水凝胶倒入到非炭化水凝胶上，得到双层水凝胶，经冷冻干燥后得到石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料。

5.根据权利要求2至4中任一项所述制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述金属盐溶液的摩尔浓度为0.1～1.5mol/L，所述生物质纤维和金属盐溶液的质量和体积比为0.5～2g∶6～200mL；所述生物质纤维浸渍于金属盐溶液的时间为5～10h。

6.根据权利要求2至4中任一项所述制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述氧化石墨烯水溶液的摩尔浓度为3～10mg/mL，所述金属离子修饰生物质纤维和氧化石墨烯水溶液的质量体积比为0.5～2g∶6～25mL。

7.根据权利要求2至4中任一项所述制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述还原剂溶液的摩尔浓度为0.1～12mol/L，所述氧化石墨烯包覆生物质纤维和还原剂溶液的质量体积比为0.1～0.4g∶30～80mL。

8.根据权利要求2至4中任一项所述制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，石墨烯包覆生物质纤维气凝胶和金属盐溶液的质量和体积比为0.5～2g∶0.5～3mL。

9.根据权利要求2至4中任一项所述制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述强碱性溶液为NaOH溶液，浓度为0.1～10mol/L；所述水热处理的温度为100～180℃，水热处理时间为10～48h。

10.一种根据权利要求1所述石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料或者根据权利要求2～9中任一项制备方法制备得到的石墨烯包覆生物质纤维气凝胶界面光热转化材料在海水淡化和废水处理中的应用。

Images