CN114853444B - 利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法 - Google Patents

利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，选用不同类型的纳米颗粒作为光吸收转化剂，以生物质棉花纤维为附着载体，并利用聚乙烯醇凝胶将附着在纤维表面上的光吸收转化剂包裹固定住，最终形成光热转换材料。本发明制备而成的光热转换材料具有制备工艺简单，条件温和、原材料成本低，绿色可再生、光热材料机械强度高，循环稳定性好，高的太阳能‑水蒸汽转换效率及耐酸碱溶液等优点。

Description

利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法
技术领域
本发明属于能源资源与环境领域，具体涉及一种利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法。
背景技术
随着人们对传统能源的大量消耗，导致了能源危机，人们不得不寻求一些可替代的能源，其中太阳能作为清洁的可再生能源备受人们的青睐。太阳能驱动界面水蒸发作为解决淡水短缺危机的一种有效方法，近年来因其高的蒸汽产生效率和在海水淡化、水的净化与再生等方面具有变革工业的潜力而受到广泛关注，其在未来有望缓解淡水资源短缺的问题。这种技术的显著特点就是将光热转换材料置于体相水的表面，从而将转换的热能积聚于光热材料表面，防止热量散失到体相水中。此外，光热材料还为蒸汽的逃逸提供了更大的比表面积。对于太阳能驱动界面水蒸发，其最主要的设计部分就是光热转换材料。它应具有这三个要素：高效的太阳光吸收能力和光热转换能力、利用毛细作用输送体相水至蒸发区以及局部加热削弱热损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，来进行太阳能驱动界面水蒸发。
为了实现上述目的，其技术方案如下：
利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，采用如下步骤：
步骤1：将碳基纳米颗粒、半导体纳米颗粒、金属纳米颗粒或金属氧化物及其复合纳米颗粒作为光吸收转化剂；
步骤2：称取a mg棉花纤维置于干净的烧杯中，向烧杯中加入b mL质量分数为85～88％的甲酸，a:b＝15～20mg/mL；随后将烧杯放入超声波清洗机中超声处理2～4h，超声频率为80～100kHz；之后用去离子水多次超声清洗纤维直至pH值在6～7范围内，最后将其放入鼓风干燥箱中干燥，鼓风干燥箱的温度设为：30～50℃；
步骤3：称取c mg步骤1中的光吸收转化剂置于干净的烧杯中，并加入d mL极性溶剂，c:d＝6～7mg/mL，然后烧杯放入超声波清洗机中超声15～30min，超声频率为80～100kHz，得到分散均匀的溶液；
步骤4：称取e mg步骤2获得的纤维，加入步骤3制备获得的溶液中，e:c＝1.3～1.6，之后将其放入超声波清洗机中超声15～30min，超声频率为80～100kHz，然后将该溶液转入模具中真空抽滤定型获得成型的纤维块，真空压力为0.06～0.08MPa，定型后其表面积为S cm2，厚度δ＝2～3mm，密度ρ＝0.24～0.36g/cm3，S:δ＝6～9cm2/cm；最后将成型的纤维块放入鼓风干燥箱中干燥1～2h，温度设为：30～40℃；
步骤5：称取f g平均分子量为12000-18000的聚乙烯醇置于干净的烧杯中，向烧杯中加入g mL去离子水，f:g＝65～66mg/mL；将烧杯放入温度为60～90℃的恒温加热磁力搅拌器中搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，再向该溶液中加入h mL质量分数为50％的戊二醛，f:h＝5.2～5.3g/mL，继续搅拌20～30min直至戊二醛与聚乙烯醇溶液均匀混合；
步骤6：将步骤4得到的成型的纤维块水平放置，采用滚涂法将I mL步骤5得到的戊二醛/聚乙烯醇混合溶液均匀地滚涂在纤维块的外表面，使戊二醛/聚乙烯醇混合溶液将整个成型的纤维块块体包覆住，I:S＝0.27～0.29mL/cm2，并向表面喷洒0.11～0.17mL/cm2浓度为1.2mol/L的稀盐酸，并凝胶1～2h获得凝胶纤维块，随后将凝胶纤维块放入去离子水中浸泡10～12h；
步骤7：将步骤6浸泡后的凝胶纤维块在零下10℃～零下20℃环境中冷冻4～5h，然后再将冷冻好的纤维块放入30～35℃的去离子水中水浴解冻30～40min，重复上述冷冻和解冻过程3次以上，最终得到太阳能驱动界面水蒸发所需的光热转换材料。
所述极性溶剂为：水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
本发明制备而成的光热转换材料，具有以下优点：(1)制备工艺简单，条件温和；(2)原材料成本低，绿色可再生；(3)光热材料机械强度高，循环稳定性好，高的太阳能-水蒸汽转换效率(90％以上)；(4)耐酸碱溶液等优点。
附图说明
图1为本发明制备的光热转换材料的流程图；
图2为本发明方法制备的光热转换材料的俯视扫描电镜照片；
图3为本发明方法制备的光热转换材料的弯曲强度变化情况；
图4为本发明方法制备而成的光热转换材料处于湿润(a)与干燥(b)状态下的应力-应变曲线图；
图5为本发明方法制备的光热转换材料在一个标准太阳光下的蒸发量变化情况；
图6为本发明方法制备的光热转换材料在一个标准太阳光下的循环稳定性；
图7为本发明方法制备的光热转换材料在不同pH下的蒸发速率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：
利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，采用如下步骤：
步骤1：将碳基纳米颗粒、半导体纳米颗粒、金属纳米颗粒或金属氧化物及其复合纳米颗粒作为光吸收转化剂；
步骤2：称取a mg棉花纤维置于干净的烧杯中，向烧杯中加入b mL质量分数为85～88％的甲酸，a:b＝15～20mg/mL；随后将烧杯放入超声波清洗机中超声处理2～4h，超声频率为80～100kHz；之后用去离子水多次超声清洗纤维直至pH值在6～7范围内，最后将其放入鼓风干燥箱中干燥，鼓风干燥箱的温度设为：30～50℃；
步骤3：称取c mg步骤1中的光吸收转化剂置于干净的烧杯中，并加入d mL极性溶剂，c:d＝6～7mg/mL，然后烧杯放入超声波清洗机中超声15～30min，超声频率为80～100kHz，得到分散均匀的溶液；
步骤4：称取e mg步骤2获得的纤维，加入步骤3制备获得的溶液中，e:c＝1.3～1.6，之后将其放入超声波清洗机中超声15～30min，超声频率为80～100kHz，然后将该溶液转入模具中真空抽滤定型获得成型的纤维块，真空压力为0.06～0.08MPa，定型后其表面积为S cm2，厚度δ＝2～3mm，密度ρ＝0.24～0.36g/cm3，S:δ＝6～9cm2/cm；最后将成型的纤维块放入鼓风干燥箱中干燥1～2h，温度设为：30～40℃；
步骤5：称取f g平均分子量为12000-18000的聚乙烯醇置于干净的烧杯中，向烧杯中加入g mL去离子水，f:g＝65～66mg/mL；将烧杯放入温度为60～90℃的恒温加热磁力搅拌器中搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，再向该溶液中加入h mL质量分数为50％的戊二醛，f:h＝5.2～5.3g/mL，继续搅拌20～30min直至戊二醛与聚乙烯醇溶液均匀混合；
步骤6：将步骤4得到的成型的纤维块水平放置，采用滚涂法将I mL步骤5得到的戊二醛/聚乙烯醇混合溶液均匀地滚涂在纤维块的外表面，使戊二醛/聚乙烯醇混合溶液将整个成型的纤维块块体包覆住，I:S＝0.27～0.29mL/cm2，并向表面喷洒0.11～0.17mL/cm2浓度为1.2mol/L的稀盐酸，并凝胶1～2h获得凝胶纤维块，随后将凝胶纤维块放入去离子水中浸泡10～12h；
步骤7：将步骤6浸泡后的凝胶纤维块在零下10℃～零下20℃环境中冷冻4～5h，然后再将冷冻好的纤维块放入30～35℃的去离子水中水浴解冻30～40min，重复上述冷冻和解冻过程3次以上，最终得到太阳能驱动界面水蒸发所需的光热转换材料。
所述极性溶剂为：水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
实施例1
利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，采用如下步骤：
步骤1：将碳基纳米颗粒作为光吸收转化剂；
步骤2：称取550mg棉花纤维置于干净的烧杯中，向烧杯中加入30mL质量分数为85～88％的甲酸，a:b＝15～20mg/mL；随后将烧杯放入超声波清洗机中超声处理3h，超声频率为90kHz；之后用去离子水多次超声清洗纤维直至pH值在6～7范围内，最后将其放入鼓风干燥箱中干燥，鼓风干燥箱的温度设为40℃；
步骤3：称取50mg步骤1中的光吸收转化剂置于干净的烧杯中，并加入8mL极性溶剂，c:d＝6～7mg/mL，然后烧杯放入超声波清洗机中超声25min，超声频率为90kHz，得到分散均匀的溶液；
步骤4：称取75mg步骤2获得的纤维，加入步骤3制备获得的溶液中，e:c＝1.3～1.6，之后将其放入超声波清洗机中超声25min，超声频率为90kHz，然后将该溶液转入模具中真空抽滤定型获得成型的纤维块，真空压力为0.07MPa，定型后其表面积为1.8cm2，厚度δ＝2mm，密度ρ＝0.32g/cm3；最后将成型的纤维块放入鼓风干燥箱中干燥2h，温度设为40℃；
步骤5：称取0.65g平均分子量为12000-18000的聚乙烯醇置于干净的烧杯中，向烧杯中加入10mL去离子水；将烧杯放入温度为80℃的恒温加热磁力搅拌器中搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，再向该溶液中加入0.125mL质量分数为50％的戊二醛，f:h＝5.2～5.3g/mL，继续搅拌30min直至戊二醛与聚乙烯醇溶液均匀混合；
步骤6：将步骤4得到的成型的纤维块水平放置，采用滚涂法将0.5mL步骤5得到的戊二醛/聚乙烯醇混合溶液均匀地滚涂在纤维块的外表面，使戊二醛/聚乙烯醇混合溶液将整个成型的纤维块块体包覆住，I:S＝0.27～0.29mL/cm2，并向表面喷洒0.17mL/cm2浓度为1.2mol/L的稀盐酸，并凝胶2h获得凝胶纤维块，随后将凝胶纤维块放入去离子水中浸泡12h；
步骤7：将步骤6浸泡后的凝胶纤维块在零下10℃～零下20℃环境中冷冻5h，然后再将冷冻好的纤维块放入35℃的去离子水中水浴解冻40min，重复上述冷冻和解冻过程3次以上，最终得到太阳能驱动界面水蒸发所需的光热转换材料。
采用上述方法制备的光热转换材料的流程如图1所示。图2为本发明方法制备的光热转换材料的俯视扫描电镜照片，从图中可以看出光热转换材料表面有凝胶覆盖层。图3为本发明方法制备的光热转换材料的弯曲强度变化情况，从图中可以看出光热转换材料具有很好的机械强度和韧性。图4为本发明方法制备而成的光热转换材料处于湿润(a)与干燥(b)状态下的应力-应变曲线图，从图中可以看出光热转换材料机械性能干燥状态优于湿润状态，可满足实际应用需要。图5为本发明方法制备的光热转换材料在一个标准太阳光下的蒸发量变化情况，从图中可以看出单位时间内水的蒸发速率可以达到2.32kg m-2h-1。图6为本发明方法制备的光热转换材料在一个标准太阳光下的循环稳定性，从图中可以看出光热转换材料具有良好的循环稳定性。图7为本发明方法制备的光热转换材料在不同pH下的蒸发速率，从图中可以看出光热转换材料在pH＝2～10范围内具有良好的蒸发速率，并且随着pH的变化没有发生明显的衰减。

Claims (2)

1.利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，其特征在于：采用如下步骤：
步骤1：将碳基纳米颗粒、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒及其复合纳米颗粒作为光吸收转化剂；
步骤2：称取a mg棉花纤维置于干净的烧杯中，向烧杯中加入b mL质量分数为85~88%的甲酸，a:b=15~20 mg/mL；随后将烧杯放入超声波清洗机中超声处理2~4 h，超声频率为80~100 kHz；之后用去离子水多次超声清洗纤维直至pH值在6~7范围内，最后将其放入鼓风干燥箱中干燥，鼓风干燥箱的温度设为：30~50℃；
步骤3：称取c mg步骤1中的光吸收转化剂置于干净的烧杯中，并加入d mL极性溶剂，c:d=6~7 mg/mL，然后烧杯放入超声波清洗机中超声15~30 min，超声频率为80~100 kHz，得到分散均匀的溶液；
步骤4：称取e mg步骤2获得的纤维，加入步骤3制备获得的溶液中，e:c=1.3~1.6，之后将其放入超声波清洗机中超声15~30 min，超声频率为80~100 kHz，然后将该溶液转入模具中真空抽滤定型获得成型的纤维块，真空压力为0.06~0.08 MPa，定型后其表面积为S cm2，厚度δ=2~3 mm，密度ρ=0.24~0.36 g/cm3，S:δ=6~9 cm2/mm；最后将成型的纤维块放入鼓风干燥箱中干燥1~2h，温度设为：30~40℃；
步骤5：称取f g平均分子量为12000-18000的聚乙烯醇置于干净的烧杯中，向烧杯中加入g mL去离子水，f:g=65~66 mg/mL；将烧杯放入温度为60~90℃的恒温加热磁力搅拌器中搅拌直至聚乙烯醇完全溶解，再向该溶液中加入h mL质量分数为50%的戊二醛，f:h=5.2~5.3 g/mL，继续搅拌20~30 min直至戊二醛与聚乙烯醇溶液均匀混合；
步骤6：将步骤4得到的成型的纤维块水平放置，采用滚涂法将I mL步骤5得到的戊二醛/聚乙烯醇混合溶液均匀地滚涂在纤维块的外表面，使戊二醛/聚乙烯醇混合溶液将整个成型的纤维块块体包覆住，I:S=0.27~0.29 mL/cm2，并向表面喷洒0.11~0.17 mL/cm2浓度为1.2 mol/L的稀盐酸，并凝胶1~2 h获得凝胶纤维块，随后将凝胶纤维块放入去离子水中浸泡10~12 h；
步骤7：将步骤6浸泡后的凝胶纤维块在零下10℃~零下20℃环境中冷冻4~5 h，然后再将冷冻好的纤维块放入30~35℃的去离子水中水浴解冻30~40 min，重复上述冷冻和解冻过程3次以上，最终得到太阳能驱动界面水蒸发所需的光热转换材料。
2.根据权利要求1的利用凝胶稳定纳米颗粒制备光热转换材料的方法，其特征在于：所述极性溶剂为：水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
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