CN114195214A - 用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法 - Google Patents

用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，通过氢碘酸还原的方法将三聚氰胺海绵@氧化石墨烯还原为三聚氰胺海绵@还原氧化石墨烯，经过电化学氧化的方法使三聚氰胺海绵@还原氧化石墨烯有部分被氧化形成三聚氰胺海绵@电化学氧化还原氧化石墨烯。本发明公开一种用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，使三聚氰胺海绵@电化学氧化还原氧化石墨烯的表面增加了含氧基团和氢原子，提高了亲水能力并使得中间水更容易逸散，从而大大提高了太阳能光热界面水蒸发量，用本发明公开方法制备的太阳能蒸发器在自然阳光下净化盐水时，具有优异的防污性能和长期稳定性。

Description

用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法
技术领域
本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法。
背景技术
目前，太阳能驱动的界面水蒸发是解决水资源短缺最环保最可持续的技术之一，高效光热转换效率及良好热管理能力的太阳能水蒸发系统是其关键装备。虽然金属基材料、半导体材料、碳基材料、有机高分子材料、复合光热材料等均可作为太阳能光吸收热转换材料，但大部份材料都有成本较高或光热转换率较低等缺点。其中，碳纳米材料具有成本低、太阳能收集能力强、稳定性高、易于获得等特点，因此许多包括氧化石墨烯基气凝胶、还原氧化石墨烯、多孔石墨烯、垂直排列碳纳米管等的碳纳米材料被用于设计太阳能水蒸发器。然而，尽管人们做了很多努力，但其构建的蒸发器在一个光强下仍只保持较低的蒸发速率。基于这样的背景，怎样提高碳纳米材料蒸发器的水蒸发速率就变成一个重大难题。因此，开发一种成本低、吸光能力好、光热转化效率高且同时具有高水蒸发速率的碳纳米材料的蒸发器就至关重要。
本发明在众多碳纳米材料中，仍选用石墨烯材料。氧化石墨烯(GO)吸附在三聚氰胺海绵上后，虽然亲水性好但吸光效率远不及还原氧化石墨烯，因此需要将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。但还原氧化石墨烯构建的蒸发器虽然吸光能力显著增强，却仍然不具备高蒸发速率的性能。分析其原因主要由于两个方面：一方面，其自身的晶体结构具有良好的导热性，这样不利于在水-空气界面的太阳-热转换，从而导致蒸发速率较低；另一方面，在太阳能驱动界面水蒸发系统的光热材料转换层中，它们与水分子的弱相互作用只生成了少量的中间水。然而中间水是活性水，它相较于体相水能以更少的热能转化为水蒸气。
发明内容
本发明为获得高效的太阳能水蒸发量，公开一种在海绵上用电化学氧化处理还原氧化石墨烯的方法，使其在一个光强下的蒸发速率达到3.47kg m-2h-1，三个光强下的蒸发速率达到10.21kg m-2h-1。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，采用以下步骤：
步骤1：在烧杯中配置9-12mg/mL的氧化石墨烯水溶液，并将其放在超声器中超声1.5小时及以上使其完全分散，得到均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤2：将长≥宽>>高的片状三聚氰胺海绵(MS)浸入经步骤1配置好的氧化石墨烯溶液中，使三聚氰胺海绵吸附氧化石墨烯溶液至饱和；
步骤3：将步骤2获得的吸附饱和氧化石墨烯溶液的三聚氰胺海绵放到60-100℃烘箱之中干燥1小时及以上，得到三聚氰胺海绵@氧化石墨烯(MS@GO)样品；
步骤4：将85-95℃氢碘酸(HI)放入烧杯中，并用恒温装置使其保持85-95℃，将步骤3中获得的MS@GO样品浸没在85-95℃的氢碘酸中还原30-45秒，然后取出样品，并将其上下翻转，再次放入氢碘酸中还原30-45秒后取出；
步骤5：将步骤4取出的样品放入两块面积稍大于样品面积的夹板中，均匀轻微挤压夹板，将氢碘酸溶液从样品中挤出，然后用无水乙醇、去离子水轮流冲洗挤出氢碘酸的样品3次及以上，之后将冲洗好的样品放至180-200℃烘箱中干燥1.5-2小时，待高温烘干完毕后得到三聚氰胺海绵@还原氧化石墨烯(MS@rGO)样品；
步骤6：将步骤5获得的MS@rGO样品放入去离子水中，使其吸附饱和去离子水，然后在其最长边上施加4.5-6.0V/cm电压进行电化学氧化，待电流降到0-2mA时，得到三聚氰胺海绵@电化学氧化还原氧化石墨烯(MS@rGO-EO)样品。
所述三聚氰胺海绵的孔径范围是25-55PPI。
用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法具有以下优势：
通过氢碘酸(HI)还原的方法将MS@GO还原为MS@rGO，从而大大提高样品的吸光能力；经过电化学氧化的方法使MS@rGO有部分被氧化形成MS@rGO-EO，表面增加了含氧基团和氢原子，提高亲水能力以及使得中间水更容易逸散，从而大大提高了太阳能光热界面水蒸发量。由于此蒸发系统中水含量的增加，一个光强下的蒸发速率达到了创纪录的3.47kg m- 2h-1，三个光强下的蒸发速率更是达到10.21kg m-2h-1。用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法制备的蒸发器在自然阳光下净化盐水时，表现出优异的防污性能和长期稳定性。
附图说明
图1是本发明制备的MS@rGO-EO的工艺流程图；
图2是本发明制备的MS@rGO-EO电化学氧化时的电流曲线图；
图3是本发明制备的MS@rGO-EO的SEM图；
图4是本发明制备的MS@rGO-EO的XPS能谱图；
图5是本发明制备的MS@GO与MS@rGO-EO固体紫外吸收光谱图；
图6是本发明制备的MS@rGO-EO不同浓度盐水蒸发速率图；
图7是本发明制备的MS@rGO-EO不同光强下水蒸发量图；
图8是本发明制备的MS@rGO-EO在不同pH条件下，一个光强下蒸发速率图；
图9是本发明制备的MS@rGO-EO循环稳定测试蒸发速率图。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，采用以下步骤：
步骤1：在烧杯中配置9-12mg/mL的氧化石墨烯水溶液，并将其放在超声器中超声1.5小时及以上使其完全分散，得到均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤2：将长≥宽>>高的片状三聚氰胺海绵(MS)浸入经步骤1配置好的氧化石墨烯溶液中，使三聚氰胺海绵吸附氧化石墨烯溶液至饱和；
步骤3：将步骤2获得的吸附饱和氧化石墨烯溶液的三聚氰胺海绵放到60-100℃烘箱之中干燥1小时及以上，得到MS@GO样品；
步骤4：将85-95℃氢碘酸放入烧杯中，并用恒温装置使其保持85-95℃，将步骤3中获得的MS@GO样品浸没在85-95℃的氢碘酸中还原30-45秒，然后取出样品，并将其上下翻转，再次放入氢碘酸中还原30-45秒后取出；
步骤5：将步骤4取出的样品放入两块面积稍大于样品面积的夹板中，均匀轻微挤压夹板，将氢碘酸溶液从样品中挤出，然后用无水乙醇、去离子水轮流冲洗挤出氢碘酸的样品3次及以上，之后将冲洗好的样品放至180-200℃烘箱中干燥1.5-2小时，待高温烘干完毕后得到MS@rGO样品；
步骤6：将步骤5获得的MS@rGO样品放入去离子水中，使其吸附饱和去离子水，然后在其最长边上施加4.5-6.0V/cm电压进行电化学氧化，待电流降到0-2mA时，得到MS@rGO-EO样品。
实施例1
如图1所示，用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，采用以下步骤：
步骤1：在烧杯中配置10mg/mL的氧化石墨烯水溶液，并将其放在超声器中超声2小时使其完全分散，得到均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤2：将长≥宽>>高的片状三聚氰胺海绵浸入经步骤1配置好的氧化石墨烯溶液中，使三聚氰胺海绵吸附氧化石墨烯溶液至饱和；
步骤3：将步骤2获得的吸附饱和氧化石墨烯溶液的三聚氰胺海绵放到70℃烘箱之中干燥1小时，得到MS@GO样品；
步骤4：将90℃氢碘酸放入烧杯中，并用恒温装置使其保持90℃，将步骤3中获得的MS@GO样品浸没在90℃的氢碘酸中还原40秒，然后取出样品，并将其上下翻转，再次放入氢碘酸中还原40秒后取出；
步骤5：将步骤4取出的样品放入两块面积稍大于样品面积的夹板中，均匀轻微挤压夹板，将氢碘酸溶液从样品中挤出，然后用无水乙醇、去离子水轮流冲洗挤出氢碘酸的样品4次，之后将冲洗好的样品放至200℃烘箱中干燥2小时，待高温烘干完毕后得到MS@rGO样品；
步骤6：将步骤5获得的MS@rGO样品放入去离子水中，使其吸附饱和去离子水，然后在其最长边上施加5.0V/cm电压进行电化学氧化，依据图2的MS@rGO-EO电化学氧化时的电流曲线图，待电流降到1mA时，氧化过程结束，得到MS@rGO-EO样品。
对上述步骤制备获得的MS@rGO-EO样品进行表征：
图3是MS@rGO-EO的SEM图，图中的大量褶皱表明电化学氧化过程中产生了更多的界面；图4是MS@rGO-EO的XPS能谱图，表明各样品内O、C的含量差异明显；图5是MS@GO与MS@rGO-EO固体紫外吸收光谱图，表明MS@rGO-EO在整个太阳光谱中表现出比MS@GO具有更强的吸收特征；图6是MS@rGO-EO不同浓度盐水蒸发速率图，表明其拥有一定的耐盐性能；图7是MS@rGO-EO在不同光强下水蒸发量图，表明其水分蒸发速率几乎随太阳强度的增加而线性增加；图8是MS@rGO-EO不同pH条件时一个光强下蒸发速率图，表明其在绝大多数工业废水的条件下是可以使用的；图9是MS@rGO-EO循环稳定测试蒸发速率图，表明其良好的结构耐久性。

Claims (2)

1.用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，其特征在于：采用以下步骤：
步骤1：在烧杯中配置9-12mg/mL的氧化石墨烯水溶液，并将其放在超声器中超声1.5小时及以上使其完全分散，得到均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤2：将长≥宽>>高的片状三聚氰胺海绵浸入由步骤1配置好的氧化石墨烯溶液中，使三聚氰胺海绵吸附氧化石墨烯溶液至饱和；
步骤3：将步骤2获得的吸附饱和氧化石墨烯溶液的三聚氰胺海绵放到60-100℃烘箱之中干燥1小时及以上，得到三聚氰胺海绵@氧化石墨烯样品；
步骤4：将85-95℃氢碘酸放入烧杯中，并用恒温装置使其保持85-95℃，将步骤3中获得的三聚氰胺海绵@氧化石墨烯样品浸没在85-95℃的氢碘酸中还原30-45秒，然后取出样品，并将其上下翻转，再次放入氢碘酸中还原30-45秒后取出；
步骤5：将步骤4取出的样品放入两块面积稍大于样品面积的夹板中，均匀轻微挤压夹板，将氢碘酸溶液从样品中挤出，然后用无水乙醇、去离子水轮流冲洗挤出氢碘酸的样品3次及以上，之后将冲洗好的样品放至180-200℃烘箱中干燥1.5-2小时，待高温烘干完毕后得到三聚氰胺海绵@还原氧化石墨烯样品；
步骤6：将步骤5获得的三聚氰胺海绵@还原氧化石墨烯样品放入去离子水中，使其吸附饱和去离子水，然后在其最长边上施加4.5-6.0V/cm电压进行电化学氧化，待电流降到0-2mA时，得到三聚氰胺海绵@电化学氧化还原氧化石墨烯样品。
2.根据权利要求1所述的用氧化石墨烯构筑太阳能蒸发器的方法，其特征在于：所述三聚氰胺海绵的孔径范围是25-55PPI。
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