CN115092983B - 一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，将复合碳化生物质材料与水凝胶组装形成太阳能蒸发器件；在太阳光的照射下，复合碳化生物质材料作为光热转化和水伏发电部分，将太阳光的辐射能转换成热量，实现水的蒸发，同时实现水伏发电；水凝胶作为支撑、输水和隔热部分，以提高蒸发器效率。该太阳能蒸发器蒸发效率高，且具有水伏发电功能。

Description

一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器
技术领域
本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器。
背景技术
淡水和能源短缺是迫切需要解决的问题。太阳能蒸发器作为一种用于海水淡化的新能源技术受到广泛关注。蒸发器通过吸收太阳能，在水和空气界面产生热量，将水转化为蒸汽，从而获得清洁的水和能源。太阳能蒸发器通常由三个部分组成，用于光热转换和水蒸发的顶部部分，用于水输送的中部部分以及与水接触的底部部分。一个高效的太阳能蒸发器应该具有以下特点。首先，蒸发器的顶部材料和结构应该具有优异的太阳能吸收性能和光热转换效率。第二，蒸发器的中部结构应能够实现高效输水并具有一定的鲁棒性以避免盐结晶堵塞通道。第三，蒸发器与水的接触界面可以进行优化，从而提高效率并实现蒸发器的多功能性，如降低蒸发焓，调节表面能，改变温度分布和实现水伏发电。为了提高太阳能蒸发器的性能，人们做了许多尝试。然而，制备一种高效、低成本、环保、多功能性的蒸发器仍然是一个挑战。
以往在太阳能吸收和光热转换部分的研究主要集中在碳基材料上，包括石墨烯及其衍生物、碳纳米管、碳化生物质材料。在这些材料中，碳化生物质材料因其具有优良的太阳能吸收效率，光热转换特性以及用于输水的天然通道结构等优点而备受关注。碳化生物质材料与各种低维材料的结合是提高所有波长光吸收率和光热转换效率的有效途径。其中，MXene材料是一种包含过渡金属碳化物、碳氮化物和亲水官能团的二维材料，具有优良的光热转换效率。但是，如何提高MXene在碳化生物质材料中的负载率还需要更多的研究，如选择具有新颖微结构和更大比表面积的碳化生物质材料。
已有研究报道碳化生物质材料（如碳化木块）的通孔通过毛细力实现对水的输送作用。通孔结构面临的主要挑战之一是通道中盐晶体的堵塞，这会导致输水率显著下降。除了常见的通孔结构外，一些种类的生物质材料具有特殊的微观结构。白千层木块的微观结构是由微丝组成的疏松、有序的脚手架结构，与常见的木材的通孔结构有明显不同。由于这种脚手架结构的碳化木块具有更大的表面积和新的拓扑形态，有可能实现更高的水分输送效率和更快的气液界面演化。此外，这种结构具有更大的内部空间，可能对解决盐晶体堵塞的情况更有效。然而，对于脚手架结构碳化生物质材料在蒸发器中的应用尚未见报道。基于脚手架结构碳化生物质材料，通过二维材料修饰、蒸发器界面接触角和蒸发焓调控、温度分布控制、水伏发电效应等实现高效多功能的太阳能蒸发器构建尚未报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，该太阳能蒸发器蒸发效率高，且具有水伏发电功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，将复合碳化生物质材料与水凝胶组装形成太阳能蒸发器件；在太阳光的照射下，复合碳化生物质材料作为光热转化和水伏发电部分，将太阳光的辐射能转换成热量，实现水的蒸发，同时实现水伏发电；水凝胶作为支撑、输水和隔热部分，以提高蒸发器效率。
进一步地，所述复合碳化生物质材料由生物质材料经过高温碳化，再与二维材料复合得到。
进一步地，所述生物质材料具有特殊结构，所述特殊结构为具有疏松、纤维状、有序特点的脚手架状结构。
进一步地，所述生物质材料包括具有脚手架状结构的天然组织或加工结构。
进一步地，所述具有脚手架状结构的天然组织或加工结构为白千层树皮组织。
进一步地，所述高温碳化温度为400℃-1000℃，碳化时长为20 min-90 min，由惰性气体保护。
进一步地，所述二维材料为MXene、石墨烯或氧化石墨烯。
进一步地，所述水凝胶具有孔隙结构和比水低的热导率，以实现输水和隔热功能。
进一步地，所述水凝胶采用以下方法得到：用浓度为1%-2%的魔芋葡甘聚糖和浓度为1%-2%的海藻酸钠，在40℃-60℃条件下加热搅拌，并用浓度为3%-10%的Ca2+进行交联。
进一步地，所述复合碳化生物质材料位于水凝胶上方，两者通过接触或凝胶的交联作用连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种兼具水伏发电功能的高效太阳能蒸发器，其由复合碳化生物质材料和水凝胶组成。将带有疏松、纤维状、有序的脚手架状结构的碳化生物质材料与MXene、石墨烯、氧化石墨烯等二维材料复合，脚手架状结构的碳化生物质材料具有更大的比表面积以吸附更多的光热转换材料，从而提高光吸收率。MXene等二维材料可以实现对蒸发焓、表面能和沟道双电子层的调节，因此与二维材料复合的碳化生物质材料由于具有更多的亲水界面、新颖的拓扑通道、更大的空隙和更多的带电离子吸附位点，可以提高水的运输速率，减少孔隙堵塞，提高蒸发效率，同时实现水伏发电。本发明与现有的蒸发器相比，具有制备成本低，蒸发效率高，绿色环保，多功能等特点。
附图说明
图1为本发明实施例的太阳能蒸发器示意图。
图2为本发明实施例中太阳能蒸发器件示意图；其中，CPK为水凝胶与碳化木块粉末组装的蒸发器、CSK为水凝胶与带有结构的碳化木块组装的蒸发器，CMSK为水凝胶与经过MXene修饰的带有结构的碳化木块组装的蒸发器。
图3为本发明实施例中各组成部分的电镜图；其中，（a）未碳化过的白千层木块，（b）碳化后的白千层木块，（c）魔芋葡甘聚糖/海藻酸钠/钙离子水凝胶。
图4为本发明实施例中碳化白千层木块与吸附MXene的碳化白千层木块的吸收光谱图；其中，CW为碳化白千层木块，CW+MXene为吸附MXene的碳化白千层木块。
图5为本发明实施例中在两个太阳光辐照强度下样品的蒸发速率图。
图6为本发明实施例中在两个太阳光辐照强度下样品的蒸发效率图。
图7为本发明实施例中在40 min内两个太阳光的辐照强度下的开路电压值。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，将带有特殊结构的复合碳化生物质材料与水凝胶组装形成太阳能蒸发器件；在太阳光的照射下，复合碳化生物质材料作为光热转化和水伏发电部分，将太阳光的辐射能转换成热量，实现水的蒸发，同时实现水伏发电；水凝胶作为支撑、输水和隔热部分，以提高蒸发器效率。
在本实施例中，所述复合碳化生物质材料由带有特殊结构的生物质材料经过高温碳化，再与MXene、石墨烯或氧化石墨烯等二维材料复合得到。
其中，所述特殊结构为具有疏松、纤维状、有序特点的脚手架状结构，包括具有脚手架状结构的天然组织或加工结构，其中优选白千层树皮组织。
所述高温碳化温度为400℃-1000℃，碳化时长为20 min-90 min，由惰性气体保护。优选的，所述高温碳化温度为700℃，所述碳化时长为30 min，所述惰性气体为氩气。
在本实施例中，所述水凝胶具有孔隙结构和比水低的热导率，以实现输水和隔热功能。优选的，所述水凝胶采用以下方法得到：用浓度为1%-2%的魔芋葡甘聚糖和浓度为1%-2%的海藻酸钠，在40℃-60℃条件下加热搅拌，并用浓度为3%-10%的Ca2+进行交联。
在本实施例中，所述复合碳化生物质材料位于水凝胶上方，两者通过接触或凝胶的交联作用连接。
在水分蒸发过程中，带点离子吸附在蒸发器表面形成双电层，在复合碳化生物质材料的上下两端产生电压，实现水伏发电功能。
实施例1
下面以实施例1来对本发明太阳能蒸发器的具体实现作进一步说明。
首先取白千层木块在充满氩气的管式炉里700℃碳化30 min（将制备的碳化木块命名为CW）。再用10 mg/ml MXene溶液浸涂CW并干燥，重复以上浸涂和干燥过程3次，得到的与MXene复合的碳化木块命名为CW+MXene。将0.4 g魔芋葡甘聚糖粉末和0.8 g海藻酸钠粉末混合，加入40 ml去离子水中，40℃加热搅拌至溶解，得到半透明复合溶胶，将其倒入圆形模型。分别将研磨后的CW粉末、带有结构的整体CW以及CW+MXene放在溶胶上，注射5% CaCl2溶液，使其交联，将获得的太阳能蒸发器分别命名为CPK, CSK, CMSK（如图2所示）。将CW+MXene和CW两端涂上导电银胶镶嵌铜线，用铜线与毫伏电压表连接成一个回路用于检验蒸发时蒸发器的水伏发电能力。
未碳化过的白千层木块，碳化后的白千层木块和水凝胶的电镜图如图3所示。白千层木块在碳化后，保持了原有的疏松、有序的“脚手架”状结构。水凝胶的孔隙大概为260 μm。如图4所示，在白千层碳化木块（CW）引入MXene以后，太阳光吸收率从90.27%上升至92.07%。
CPK, CSK, CMSK在两个太阳光辐射下的蒸发速率分别为3.28 kg m-2 h-1，3.55kg m-2 h-1，3.71 kg m-2 h-1，对应的蒸发效率分别为114.40%，123.97%，129.64%（见图5和图6）。这表明蒸发器具有优异的蒸发效率。此外，在两个太阳光的辐照强度下，CW+MXene产生约为2.5 mV的电压（见图7）。因此证明制备的太阳能蒸发器不仅具有高的蒸发效率还具有水伏发电功能。
本发明提供了一种兼具水伏发电功能的高效太阳能蒸发器，其运用一种区别于通孔结构的“脚手架”状结构，具有疏松、纤维状、有序的特点。在蒸发的过程中拥有更多的光吸收表面，更快的水分运输，更多空间防止盐分堵塞通道，提高了蒸发效率。其拓展了可应用于太阳能蒸发器的微结构种类，有益于新能源材料与器件领域的发展。复合碳化生物质材料所包含的MXene等二维材料能够降低水的蒸发焓，降低水相变需要的能量；调整表面能，减少水与结构的接触角；提供带电离子吸附位点，产生水伏发电效应；这提高了蒸发效率并实现了多功能化。本发明的太阳能蒸发器除了具有高蒸发效率和多功能性等优点外，还具有可通过生物质材料构建、绿色环保、价格低廉、装置简单、使用寿命长等优点，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，将复合碳化生物质材料与水凝胶组装形成太阳能蒸发器件；在太阳光的照射下，复合碳化生物质材料作为光热转化和水伏发电部分，将太阳光的辐射能转换成热量，实现水的蒸发，同时实现水伏发电；水凝胶作为支撑、输水和隔热部分，以提高蒸发器效率；
所述复合碳化生物质材料由生物质材料经过高温碳化，再与二维材料复合得到；所述生物质材料具有特殊结构，所述特殊结构为具有疏松、纤维状、有序特点的脚手架状结构；所述二维材料为MXene。
2.根据权利要求1所述的一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，所述生物质材料包括具有脚手架状结构的天然组织或加工结构。
3.根据权利要求1所述的一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，所述高温碳化温度为400℃-1000℃，碳化时长为20 min-90 min，由惰性气体保护。
4.根据权利要求1所述的一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，所述水凝胶具有孔隙结构和比水低的热导率，以实现输水和隔热功能。
5.根据权利要求4所述的一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，所述水凝胶采用以下方法得到：用浓度为1%-2%的魔芋葡甘聚糖和浓度为1%-2%的海藻酸钠，在40℃-60℃条件下加热搅拌，并用浓度为3%-10%的Ca2+进行交联。
6.根据权利要求1所述的一种兼具水伏发电功能的太阳能蒸发器，其特征在于，所述复合碳化生物质材料位于水凝胶上方，两者通过接触或凝胶的交联作用连接。
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