CN113634469A - 一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法及其用途 - Google Patents

一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明属于雾水收集领域，公开了一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法及其用途。制备步骤如下：步骤1、将金属网浸渍于TEOS的乙醇溶液中，取出后置于明火上灼烧；步骤2、将步骤1灼烧后的网膜浸渍于CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液中，取出后置于明火上灼烧；步骤3、将步骤2灼烧后的网膜浸渍于正十二硫醇的乙醇溶液中选择性修饰，再浸入乙醇中漂洗，烘干。本发明通过火焰燃烧，将CuO和SiO2负载到金属网上，通过正十二硫醇的选择性修饰，仿生构建了超疏水‑超亲水类沙漠甲虫仿生膜表面。该制备方法操作简单，结构稳定，可重复利用，且雾水收集性能较高，在雾水收集领域具有好的应用前景。

Description

一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法及其用途
技术领域
本发明属于雾水收集领域，涉及一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法及其用途。
背景技术
水是自然环境中储量最丰富的资源，但是在全球的水资源中，海水占地球总资源的96.54％，淡水资源占2.53％，可利用的淡水资源仅占其中的0.36％。并且随着人口增长、工业用水量增加、水资源污染和全球变暖等问题，使得淡水资源紧缺已经成为一个全球性的难题。淡水作为人类生存和发展不可或缺的自然资源，在各国国计民生之中占有极为重要的地位。目前，用来解决淡水资源短缺问题的最常用的方法就是海水脱盐淡化，但其对能源的依赖和对地理条件的要求限制了其应用。废水回收二次加工也是解决但水资源短缺的常用方法，但是这种方法成本较高、工艺复杂且会造成其他资源的浪费。所以能够有效解决淡水资源短缺难题的方法还有待研究。
大气中的水约占地球淡水资源的10％，这是一种潜在的未被利用的水资源，雾水收集就是将这种隐藏的水资源转化成可被利用的水资源。这种方法不会造成其他污染的产生并且能耗较低，所以空气中雾水收集成为了缓解淡水短缺难题的重要途径。自然界中，许多生物都能拥有应对恶劣环境的独特特性，进化出了优化结构，能从雾气中获得水。例如，仙人掌刺的多级结构能够从极端干旱的空气中收集水，沙漠甲虫背部的高度湿润性差异的结构使其能在背部凝结水珠得以生存，蜘蛛丝表面的周期性纺锤型结构可使空气中的水汽凝结并发生转移。这些自然界的生物为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了灵感。迄今为止，已经开发出了大量的仿生集水材料，与其他传统方法相比，其具有能耗低、成本低和适用范围广等优点，所以如何设计开发雾水收集材料成为了研究热点。
沙漠甲虫由于其特殊的生理结构和形态有出色的集水能力。2001年，Parker的研究小组对沙漠甲虫利用背部表面收集水分的过程进行了记录。其背部有许多突起，突起的顶端为无蜡层覆盖的亲水区域，其余则为有蜡层覆盖的疏水区域。风中的水汽在亲水区快速成核、聚并，当水珠长到可以克服表面粘附力时会从亲水区脱离到疏水区，然后沿背部的疏水区输运到沙漠甲虫的嘴部。相应的，这种亲疏水相间的表面材料也被生产出来。现如今常用的制备用于雾水收集的仿生杂化膜材料的方法有静电纺丝法、电喷涂沉积法、电化学沉积法、喷墨打印法等，但这些常用方法操作复杂且设备要求高，所以如何制备简单、快速、高效的杂化膜的方法还需要继续探究。
发明内容
针对现有技术中的不足，现有本发明利用氧化铜和二氧化硅对不锈钢网表面进行改性，通过简单的火焰燃烧法快速制备了超疏水-超亲水界面的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料，并将其应用于雾水收集领域。
本发明涉及一种全新的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，以不锈钢网或铜网为基底，通过简单浸渍，火焰燃烧，正十二硫醇的选择性修饰，在不锈钢网表面负载超疏水-超亲水CuO/SiO2类沙漠甲虫层，制备出CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜，该法制备的仿生膜整体表现为超疏水并在表面含有超亲水点，且能对空气中的水雾进行有效收集。
本发明采用的技术方案是：
一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，所述仿生膜材料以金属网为基底，步骤如下：
步骤1、将金属网浸渍于TEOS的乙醇溶液中，取出后置于明火上灼烧；
步骤2、将步骤1灼烧后的网膜浸渍于CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液中，取出后置于明火上灼烧；
步骤3、将步骤2灼烧后的网膜浸渍于正十二硫醇的乙醇溶液中改性，改性完毕，浸入乙醇中漂洗，烘干。
步骤1中，所述金属网为不锈钢网、铜网、泡沫镍或泡沫铜，目数范围为50～2000目。
步骤1中，所述TEOS的乙醇溶液的质量分数为0.5～3wt％，浸渍于TEOS的乙醇溶液的时间为10～30s。
步骤2中，所述CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液的质量分数为0.5～3wt％，浸渍于CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液的时间为10～30s。
其中，所述CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液，CuCl2与TEOS的质量比例范围为1：99～50：1。
步骤1、2中，所述灼烧时间为30～120s，灼烧温度为400～1000℃。
步骤3中，所述正十二硫醇的乙醇溶液浓度为0.01～0.03mol/L，浸渍于正十二硫醇的乙醇溶液的时间为0.5～3h，温度为20～25℃。
步骤3中，所述烘干温度为30～60℃，时间为5～15min。
将所述CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料用于雾水收集。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过简单火焰燃烧法，正十二硫醇的选择性修饰，在金属网表面生成了超疏水-超亲水CuO/SiO2杂化界面。通过火焰燃烧，将CuO和SiO2负载到金属网上，并通过正十二硫醇的选择性修饰，构建了超疏水-超亲水类沙漠甲虫结构。该制备方法操作过程简单，制备过程快速。
(2)利用CuO/SiO2仿生膜对空气中的水雾进行收集时，仿生膜具有优异的雾水收集性能，雾水收集效率均达到了1000mg cm-2h-1以上。
(3)CuO/SiO2仿生膜具有良好的稳定性和循环使用性，在重复收集空气中的雾水10h后，依然保持良好的雾水收集性能，说明其作为雾水收集膜材料的潜在性。
附图说明
图1(a)～(c)是实施例1的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜在不同放大倍数下的SEM图。
图2是实施例1的空气中水滴接触角示意图。
图3是实施例1制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜的XPS图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，以下结合对比例对本发明进行进一步介绍：
对比例1：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的TEOS的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃明火上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到仿生金属膜。
将制得的仿生金属膜固定到自制的集水装置上，使其在竖直方向收集雾水，水雾流速为150mL/h。为了更准确地测定杂化膜的雾水收集性能，同时制备3张网膜，并且每张网膜测试3次。整个实验在室温条件下进行。雾水收集效率按以下公式计算：
Figure BDA0003173714380000031
其中R为雾水收集效率，m为网膜收集的水滴的质量，S为网膜面积，t为雾水收集时间。
实验结果表明仿生金属膜具有良好的雾水收集效率，其雾水收集效率达到838.8mg cm-1h-1。
对比例2：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的CuCl2的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到969.6mg cm-1h-1。
对比例3：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的CuCl2:TEOS＝15:1的乙醇混合溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到644.7mgcm-1h-1。
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
实施例1：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的TEOS的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后浸渍于50mL质量分数为CuCl2:TEOS＝15:1的乙醇混合溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到1335mgcm-1h-1。
图1(a)～(c)是实施例1的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜在不同放大倍数下的SEM图，从图中可以看出网膜表面均匀的粗糙结构。
图2是实施例1的空气中水滴接触角示意图，仿生膜材料的接触角达到了151.1°，达到了空气中超疏水，暗示了用于雾水收集的潜在性。
图3是实施例1的XPS图，图中出现了Cu、Si、O、S的峰，说明SiO2、CuO和正十二硫醇成功负载到金属网上。
实施例2：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的TEOS的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后浸渍于50mL质量分数为2wt％的CuCl2的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到917.3mgcm-1h-1。
实施例3：
将300目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的TEOS的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后浸渍于50mL质量分数为CuCl2:TEOS＝4:1的乙醇混合溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到902.8mgcm-1h-1。
实施例4：
将200目不锈钢网裁剪成2×2cm小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL质量分数为2wt％的TEOS的乙醇溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后浸渍于50mL质量分数为CuCl2:TEOS＝15:1的乙醇混合溶液中，30s后取出置于温度范围为400～1000℃酒精灯上灼烧1min；冷却后将网膜浸渍于50mL0.01M正十二硫醇的乙醇溶液中1h，反应温度为25℃；取出后用乙醇漂洗，最后将样品置于50℃烘干，得到CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜。
将制得的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜固定到自制的集水装置上，按对比例1中的雾水收集步骤进行雾水收集实验，计算雾水收集效率。结果表明雾水收集效率达到1100mgcm-1h-1。

Claims (9)

1.一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，所述仿生膜材料以金属网为基底，所述CuO/SiO2粒子负载到金属网表面，步骤如下：
步骤1、将金属网浸渍于TEOS的乙醇溶液中，取出后置于明火上灼烧；
步骤2、将步骤1灼烧后的网膜浸渍于CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液中，取出后置于明火上灼烧；
步骤3、将步骤2灼烧后的网膜浸渍于正十二硫醇的乙醇溶液中改性，改性完毕，浸入乙醇中漂洗，烘干。
2.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述金属网为不锈钢网、铜网、泡沫镍或泡沫铜，目数范围为50～2000目。
3.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述TEOS的乙醇溶液的质量分数为0.5～3wt％，浸渍于TEOS的乙醇溶液的时间为10～30s。
4.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液的质量分数为0.5～3wt％，浸渍于CuCl2乙醇溶液或CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液的时间为10～30s。
5.根据权利4所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，CuCl2/TEOS的乙醇混合溶液中，CuCl2与TEOS的质量比例范围为1：99～50：1。
6.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1、2中，所述灼烧时间为30～120s，灼烧温度为400～1000℃。
7.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述正十二硫醇的乙醇溶液浓度为0.01～0.03mol/L，浸渍于正十二硫醇的乙醇溶液的时间为0.5～3h，温度为20～25℃。
8.根据权利1所述的一种CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述烘干温度为30～60℃，时间为5～15min。
9.权利要求1～9任意一项所述的方法制备的CuO/SiO2类沙漠甲虫仿生膜材料用于雾水收集用途。
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