CN113865124A - 一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用，它涉及一种光热材料的制备方法及应用。本发明的目的是要解决现有光热转换材料存在制备方法复杂、转换效率低和循环性能差的缺点。一、铁网预处理；二、制备碳纳米管/铁网光热材料；三、表面处理。一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。当光照强度为1kW·m‑2时，使用本发明制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率可达到1.77kg·m‑2·h‑1。本发明可获得一种碳纳米管/铁网光热材料。

Description

一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种光热材料的制备方法及应用。
背景技术
淡水是人类赖以生存的物质基础，太阳能成本低廉、清洁、可再生。捕获太阳能在水-空气界面对水进行加热蒸发获得水蒸气，从而获得淡水，大大提高了光热转换效率。因此，制备性能优良的界面光热材料具有重要意义。但是，现有光热转换材料存在制备方法复杂、转换效率低和循环性能差等缺点。
发明内容
本发明的目的是要解决现有光热转换材料存在制备方法复杂、转换效率低和循环性能差的缺点，而提供一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用。
一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、铁网预处理：
将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓盐酸中超声，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗，最后干燥，得到预处理后的铁网；
二、制备碳纳米管/铁网光热材料：
将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，得到碳纳米管/铁网光热材料；
三、表面处理：
将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法。
一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。
本发明的优点：
(1)、本发明制备方法简单可行，制备速度快，成本低廉；
(2)、本发明制备的光热材料具有优异的疏水性；
(3)、本发明制备的光热转换材料外观为黑色，有利于将光能转换为热能；
(4)、本发明利用铁网和三聚氰胺在高温下反应，在铁网表面生长碳纳米管，作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水，本发明制备的碳纳米管/铁网光热材料是具有高水蒸发速率、低成本、高循环稳定性的光热转换材料；
(5)、当光照强度为1kW/m2时，使用本发明制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率可达到1.77kg·m-2·h-1。
本发明可获得一种碳纳米管/铁网光热材料。
附图说明
图1是碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
图2为碳纳米管/铁网光热材料表面温度随时间的变化曲线，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
图3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“●”为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“◆”为循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，
Figure BDA0003293298620000021
为未放界面蒸发材料的空白对照；
图4为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度红外成像图；
图5为XRD图，图中1为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，2为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；4为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
图6为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图7为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图8为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图9为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图10为实施例三步骤二制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图；
图11为实施例三步骤三制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、铁网预处理：
将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓盐酸中超声，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗，最后干燥，得到预处理后的铁网；
二、制备碳纳米管/铁网光热材料：
将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，得到碳纳米管/铁网光热材料；
三、表面处理：
将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的铁网规格为80目筛网，剪裁后的铁网直径为2cm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的浓盐酸的浓度为1.5mol/L～2mol/L。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中将剪裁后的铁网进入到浓盐酸中超声5min～10min，超声功率为200W～300W，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗10min～20min，超声功率为200W～300W，最后使用吹风机吹干，得到预处理后的铁网。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中预处理后的铁网与三聚氰胺质量比为1:5。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的高温处理的温度分别为600℃～900℃。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的高温处理的时间为1.5h～2h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中油酸的质量与碳纳米管/铁网光热材料的直径比为1.5g:2cm。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中使用油酸蒸汽进行表面处理的温度为140℃，处理的时间为1h。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式是一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、铁网预处理：
将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓度为2mol/L的盐酸溶液中超声5min，超声功率为200W，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗10min，超声功率为200W，最后使用吹风机吹干，得到预处理后的铁网；
步骤一中所述的剪裁后的铁网的直径为2cm，规格为80目筛网；
二、制备碳纳米管/铁网光热材料：
将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，高温处理的温度为600℃，高温处理的时间为2h，得到碳纳米管/铁网光热材料；
步骤二中预处理后的铁网与三聚氰胺质量比为1:5；
三、表面处理：
将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，表面处理的温度为140℃，表面处理的时间为1h，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法；
步骤三中油酸用量为1.5g。
实施例二：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为700℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。
实施例三：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为800℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。
实施例四：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为900℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。
蒸发测试：
采用氙灯作为模拟光源来模拟太阳光，调节氙灯与待测样品之间的距离，采用辐照计确定光照射到样品的光照强度为1kW·m-2。将实施例一至三制备的样品分别置于盛有水的容器液面上方，用精度为万分之一的电子天平记录整个容器的初始质量。随后打开光源开始测试，每隔10min记录一次电子天平的读数，测量1h。此外，在水蒸发测试的过程中，采用红外热成像仪来记录不同时间下样品的表面温度。光源开启后，每隔一定的时间记录一次温度，直至样品表面温度在多次记录中保持稳定。
图1是碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
从图1可知，随着高温处理温度的提高，碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率增加，实施例三中800℃的高温处理得到的碳纳米管/铁网光热材料光热转换效果最好，达到1.77kg·m-2·h-1，具有较好的光热转化性能，对水蒸发具有积极作用。
图2为碳纳米管/铁网光热材料表面温度随时间的变化曲线，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
从图2可知，随着高温处理温度的提高，碳纳米管/铁网样品表面温度上升越快，实施例二、实施例三和实施例四结果相差不大，最终表面上升温度在24℃左右。
将经历1h水蒸发试验后的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，见图3所示；
图3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“●”为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“◆”为循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，
Figure BDA0003293298620000051
为未放界面蒸发材料的空白对照；
图3可知，经过5次循环的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料仍然有较高的水蒸发速率，循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料可达到1.58kg·m-2·h-1。
图4为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度红外成像图；
从图4可知，在氙灯照射下，实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度可由20.5℃上升到44.9℃。
图5为XRD图，图中1为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，2为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；4为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；
从图5可知：实施例一制备的材料主要成分是Fe，实施例二、实施例三和实施例四制备的材料的主要成分是Fe和Fe3C。
图6为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图7为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图8为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
图9为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；
从图6～图9可知，实施例一制备的样品表面是非晶态厚碳片和碳球，随处理温度的升高，铁网表面逐渐形成碳纳米管。实施例二制备的样品表面直径较小的碳纳米管包裹在Fe3C中；实施例三制备的样品表面形成高石墨度的高质量碳纳米管和均匀分散在碳纳米管内部包裹的Fe3C纳米颗粒，碳纳米管基本生成；实施例四表面碳纳米管进一步生长，且碳纳米管内部包裹Fe3C纳米颗粒。。
图10为实施例三步骤二制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图；
图11为实施例三步骤三制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图。
从图10～图11可知，经过油酸蒸汽处理的碳纳米管/铁网接触角增大，使材料从亲水变为疏水，对水的蒸发具有积极作用。

Claims (10)

1.一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、铁网预处理：
将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓盐酸中超声，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗，最后干燥，得到预处理后的铁网；
二、制备碳纳米管/铁网光热材料：
将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，得到碳纳米管/铁网光热材料；
三、表面处理：
将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的铁网规格为80目筛网，剪裁后的铁网直径为2cm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的浓盐酸的浓度为1.5mol/L～2mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤一中将剪裁后的铁网进入到浓盐酸中超声5min～10min，超声功率为200W～300W，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗10min～20min，超声功率为200W～300W，最后使用吹风机吹干，得到预处理后的铁网。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤二中预处理后的铁网与三聚氰胺质量比为1:5。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的高温处理的温度分别为600℃～900℃。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的高温处理的时间为1.5h～2h。
8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤三中油酸的质量与碳纳米管/铁网光热材料的直径比为1.5g:2cm。
9.据权利要求1所述的一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，其特征在于步骤三中使用油酸蒸汽进行表面处理的温度为140℃，处理的时间为1h。
10.如权利要求1所述的制备方法制备的一种碳纳米管/铁网光热材料的应用，其特征在于一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。
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