CN113308113B - 一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：(1)往乙醇与水的混合溶剂中滴加植酸溶液与苯胺，混合均匀后，再加入多孔氧化铝，分散均匀；(2)接着加入氧化剂，混合均匀并静置，所得固体产物洗涤、干燥，即为目的产物多孔氧化铝/聚苯胺光热材料。与现有技术相比，本发明可解决多孔氧化铝难被完全浸润以及聚苯胺与氧化铝之间结合能力差的缺点，生产工艺简单高效，制备条件温和可控，具有大批量制备等。

Description

一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于太阳能光热转换材料技术领域，涉及一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料及其制备方法和应用。
背景技术
在化石能源储备日渐消耗的情况下，对可再生能源的利用成为人们关注的焦点。而太阳能作为自然界中最丰富、易得的可再生能源之一，对它的开发及利用一直是可再生能源利用的重要方向。
太阳能光热转换材料能高效吸收太阳光中各个波段的光并将其转换成热量，光热材料的材料选择与结构设计对太阳能的利用与转换至关重要。聚苯胺是一种价格低廉，制备简单，形貌可控的光热转换材料，在水溶液中即可完成反应，已经成为了光热转换材料领域中的热门选择。多孔氧化铝是一种商业化的多孔材料，具有尺寸可控，结构均匀等优势，但是微纳米级的多孔结构由于其毛细力与表面张力难以被水浸润，同时氧化铝的化学惰性也为多孔氧化铝基复合材料的优化设计带来了困难。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料及其制备方法和应用，以解决多孔氧化铝难被完全浸润以及聚苯胺与氧化铝之间结合能力差等缺点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料，其由多孔氧化铝，以及在多孔氧化铝表面原位生长的聚苯胺复合而成。
本发明的技术方案之二提供了一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)往乙醇与水的混合溶剂中滴加植酸溶液与苯胺，混合均匀后，再加入多孔氧化铝，分散均匀；
(2)接着加入氧化剂，混合均匀并静置，所得固体产物洗涤、干燥，即为目的产物多孔氧化铝/聚苯胺光热材料。
本发明利用植酸处理氧化铝，提高了聚苯胺和氧化铝之间的结合力。植酸可与氧化铝形成配位作用，同时能与苯胺形成氢键作用，使得苯胺能在氧化铝表面原位聚合。
进一步的，混合溶剂中，乙醇与水的体积比为1:1～9。
进一步的，所用植酸溶液的50wt％水溶液，且植酸溶液与苯胺的体积比为(1-10)：(0.1-5)。
进一步的，分别加入多孔氧化铝和氧化剂后，在冰浴下超声处理。
进一步的，步骤(1)中，多孔氧化铝预先分别采用乙醇、丙酮、去离子水超声洗涤，并在烘箱中烘干。
进一步的，步骤(1)中，所述的多孔氧化铝中的孔洞为单通孔、双通孔或者锥形孔，其孔直径为100～10000nm，孔间距为250～100000nm，孔深为100～50000nm。
进一步的，步骤(2)中，所述氧化剂为过硫酸铵或氯化铁。
进一步的，步骤(2)中，苯胺与氧化剂的摩尔比为9:1～1:1。
进一步的，步骤(2)中，静置的环境温度为-5～25℃。
本发明的技术方案之三提供了一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料的应用，该光热材料用为作为太阳能光热转换材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明涉及氧化铝/聚苯胺复合物的制备方法解决了聚苯胺和氧化铝之间结合力差的问题，同时在溶剂中加入乙醇提高了溶液在氧化铝孔内部及表面的浸润性，从而提高了苯胺聚合的均匀性。这种生产工艺简单高效，制备条件温和可控，具有大批量制备，连续生产的潜力。
(2)本发明涉及的氧化铝和聚苯胺均具有较好的太阳能光热转换效率，利用氧化铝表面的多级结构和聚苯胺纳米颗粒大的比表面积可协同提高复合材料对太阳光的吸收利用效果。
附图说明
图1是多孔氧化铝及氧化铝/聚苯胺复合物的实物图及扫描电镜图。
图2为多孔氧化铝/聚苯胺复合材料的对380-2500nm范围内光(紫外光-可见光-近红外光)的吸收率。
图3为多孔氧化铝/聚苯胺复合材料及多孔氧化铝在一个标准太阳光(1000W/m2)氙灯照射下的表面温度变化过程。
图4为未添加植酸和添加植酸后制备样品的实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
实施例1：
将孔径100nm，孔间距450nm，孔深1000nm的3*3cm大小多孔氧化铝分别用乙醇，丙酮，去离子水超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。配置20mL水/乙醇体积比为1:1的混合溶液，加入2mL植酸(其为50wt％的水溶液)，0.5mL苯胺并混合均匀。将干燥后的氧化铝置于上述溶液中并冰浴超声30min，加入0.2g过硫酸铵后混合均匀并置于5℃环境下静置24h。
将得到的多孔氧化铝/聚苯胺复合物取出，用乙醇，丙酮，去离子水分别超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。
从图1中可知，原始的多孔氧化铝呈现浅灰色，具有均匀的孔径分布，且表面光滑平整；经过改性修饰后的多孔氧化铝/聚苯胺复合材料呈现墨绿色至黑色，其孔壁表面附着了一层聚苯胺材料，表面变得更加粗糙。从图2可知，多孔氧化铝/聚苯胺复合材料对380-2500nm范围的光均具有较高的吸收率(＞98％)，远高于多孔氧化铝。这种丰富且粗糙的表面孔结构增强了材料对光线的捕获能力，从而提高了材料的光热转换效果。
实施例2：
将孔径200nm，孔间距450nm，孔深500nm的3*3cm大小多孔氧化铝分别用乙醇，丙酮，去离子水超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。配置20mL水/乙醇体积比为2:1的混合溶液，加入5mL植酸(其为50wt％的水溶液)，1mL苯胺并混合均匀。将干燥后的氧化铝置于上述溶液中并冰浴超声30min，加入0.5g过硫酸铵后混合均匀并置于0℃环境下静置24h。
将得到的多孔氧化铝/聚苯胺复合物取出，用乙醇，丙酮，去离子水分别超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。
实施例3：
将孔径300nm，孔间距450nm，孔深200nm的3*3cm大小多孔氧化铝分别用乙醇，丙酮，去离子水超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。配置20mL乙醇/水体积比为5:1的混合溶液，加入5mL植酸(其为50wt％的水溶液)，2mL苯胺并混合均匀。将干燥后的氧化铝置于上述溶液中并冰浴超声30min，加入0.5g过硫酸铵后混合均匀并置于-5℃环境下静置24h。
将得到的多孔氧化铝/聚苯胺复合物取出，用乙醇，丙酮，去离子水分别超声洗涤2次，并在60℃烘箱中烘干12h至干燥状态。
将得到的多孔氧化铝/聚苯胺复合物重复上述步骤，得到多次聚合的多孔氧化铝/聚苯胺复合物。
另外，上述实施例1-3中所用的多孔氧化铝不限于3*3cm大小，超声洗涤次数不限于2次，烘箱温度不限于60℃，干燥时间不限于12h。同时，如水/乙醇的混合溶液体积不限于20mL，可以根据实际情况调整。聚合次数不限于一次，两次。
实施例4：
将上述实施例1制备的多孔氧化铝/聚苯胺复合材料置于模拟太阳光氙灯光源下方，在材料背面贴附热电偶，利用数据采集仪收集温度数据。
如图3所示，在一个标准太阳光(1000W/m2)氙灯照射下，多孔氧化铝表面温度达到稳态时能升至45℃左右，多孔氧化铝/聚苯胺复合材料表面温度达到稳态时能升至80℃左右，说明利用上述方法制备可极大的提高了材料的光热转换性能。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例的混合溶剂中，乙醇与水的体积比为1:9。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，过硫酸铵改为等摩尔量的氧化铁。
实施例7：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，苯胺与氧化剂过硫酸铵的摩尔量改为9:1。
实施例8：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，苯胺与氧化剂过硫酸铵的摩尔量改为1:1。
实施例9：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，静置的环境温度为25℃。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了未添加植酸。
如图4所示，未添加植酸所制备的样品表面呈现浅灰色，且局部有不均匀的污渍，添加植酸后制备的样品呈现均匀的墨绿色至黑色。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多孔氧化铝/聚苯胺光热材料的制备方法，其特征在于，该光热材料由多孔氧化铝，以及在多孔氧化铝表面原位生长的聚苯胺复合而成；该制备方法包括以下步骤：
(1)往乙醇与水的混合溶剂中滴加植酸溶液与苯胺，混合均匀后，再加入多孔氧化铝，分散均匀；
(2)接着加入氧化剂，混合均匀并静置，所得固体产物洗涤、干燥，即为目的产物多孔氧化铝/聚苯胺光热材料；
所用植酸溶液的50wt％水溶液，且植酸溶液与苯胺的体积比为(1-10)：(0.1-5)；
步骤(2)中，苯胺与氧化剂的摩尔比为9:1～1:1；
混合溶剂中，乙醇与水的体积比为1:1～9；
分别加入多孔氧化铝和氧化剂后，在冰浴下超声处理；
步骤(1)中，多孔氧化铝预先分别采用乙醇、丙酮、去离子水超声洗涤，并在烘箱中烘干；
步骤(1)中，所述的多孔氧化铝中的孔洞为单通孔、双通孔或者锥形孔，其孔直径为100～10000nm，孔间距为250～100000nm，孔深为100～50000nm；
步骤(2)中，所述氧化剂为过硫酸铵或氯化铁；
步骤(2)中，静置的环境温度为-5～25℃。
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