CN115116755B - 一种多面体扭转结构光热转化材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多面体扭转结构高效光热转化材料及制备方法和应用，以多面体框架结构为单元胞，设计仿生多面体扭转结构，通过3D打印工艺得到多面体扭转结构陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体，即可获得多面体扭转结构高效光热转化材料。多面体扭转结构的高比表面积层次设计能够显著降低光线在材料表面的漫反射，允许入射光线在结构内部进行多次内反射，大幅提高材料的光吸收和光俘获特性，显著提升材料在光照条件下的表面平衡温度，相较于平板结构提升104％。本发明制备的多面体扭转结构高效光热转化材料作为光热超级电容器电极能够大幅增强光热效应所引起的容量提升，相较于平板结构提高239％。
Description
技术领域
本发明属于环境能源应用领域，涉及一种多面体扭转结构光热转化材料及制备方法和应用。
背景技术
光热转换是一种经济高效的太阳能获取方法，在能源存储、光催化、海水淡化、生物医学等领域有着广泛应用。将光热效应引入电化学储能过程不仅能够实现光照条件下的自加热，有效解决低温下功率下降的问题；由于其典型的局部加热效应，光热效应的热量仅限于电极表面，并不影响电解液温度，从而降低了电解质损耗，对于电化学储能器件的性能提升有着重要意义。然而，传统粉体光热转化材料在应用过程中的团聚现象容易造成其循环稳定性的大幅下降，难以满足实际应用需求；二维薄膜光热转化材料除了在几何形状设计方面存在很大局限性外，由于内部结构无序，厚度的增加会直接造成材料单位面积光热转化效率的显著降低。中国专利ZL201810022581.7提供了一种提高超级电容器电容的方法，通过对石墨烯/PET超级电容器进行光照，利用光热效应使超级电容器的电容提高。然而该超级电容器的电容性能提升仍完全依赖于材料本征的光热响应，缺乏针对材料宏观结构进行设计优化，直接导致光热转化过程仅发生在材料表层，无法实现大尺寸厚电极的规模化制备应用。
三维结构化光热转化材料能够在有限的面积条件下大幅提升材料的有效负载和利用效率，同时允许入射光线在材料内部进行多次反射，实现典型的结构增强光俘获效应，大幅提升光热转化效率和储能器件在光照条件下的容量提升效果。然而现有原位自生、立体光刻、机械加工等构筑方式所实现的结构化光热转化材料存在材料限制多、设备要求苛刻、过程复杂繁琐、结构单一设计性差、机械强度低等问题，难以实现规模化制备与应用。中国专利CN202110599446.0提供了一种光热增强超级电容器电极材料及其制备方法，通过在泡沫铜上原位生长的富含硫空位的硫化亚铜制备光热增强超级电容器，与未光照前的比容量相比，增强效率为20.66％，但该制备方法的材料严重限制于铜基材料体系，电容性能提升有限，且材料宏观结构依赖于泡沫铜载体的形态，结构不可控，缺乏针对性结构设计优化。中国专利ZL201910222363.2公开了一种高聚物仿生构型光热转换材料及其制备方法和应用，通过光刻法在硅板基底上制备高聚物仿生微纳构型，结合表面金属化蒸镀处理获得高聚物仿生构型光热转换材料，表面等离子体空间增强效应能够有效提升光热水蒸发过程，然而该方法加工及处理复杂，设备要求苛刻，且光刻工艺仅能实现表面织构的设计制备，仍未能解决材料内部利用效率低等问题，也不适用于大尺寸厚结构的快速制备。中国专利CN201810192829.4提供了一种具有卷筒状结构的高效光热转化材料及其制备方法和应用，通过化学氧化聚合沉积实现具有空隙结构的基底与功能光热聚合物复合，利用剪裁、折叠、粘结或机械加工的方法得到具有宏观锥形或圆柱形结构的三维光热材料。然而该制备方法局限于柔性薄膜材料基底，机械性能差，且通过剪裁、折叠、粘结或机械加工的方法无法实现对陶瓷等刚性基底的卷曲拼接。尽管该专利在制备三维结构光热转化材料方面进行了探索，但所能实现的宏观三维结构局限于锥形或圆柱形，光俘获性能较差，无法实现复杂精细三维光俘获结构的精确构建，对材料光热转化效率的提升效果有限。
因此，设计开发兼具良好机械强度和简易制备过程的高比表面积多级层次三维结构化光热转化材料实现光线在材料内部的强吸收和广俘获仍是目前本领域亟待解决的关键问题。宽叶弹簧草作为一种喜光耐旱的球茎肉质植物，具有特殊的弹簧状叶片，有趣的是，如果光照充足，叶片会更好地卷曲，一年四季保持绿色，不会枯萎；如果阳光不足，叶片会变薄变弱，卷曲不良导致掉落和折断。也就是说，卷曲的叶片可以显著提升光吸收效率，进一步增强叶绿体光合作用，这一点启发了我们设计仿生多级层次三维结构。与此同时，3D打印技术作为一种功能强大的新型制造技术，为实现陶瓷等高强度轻质材料的复杂三维结构精细构筑提供了完美方案。基于此，本发明以多面体框架结构单元胞为“细胞单元”，以扭转阵列结构为宏观“卷曲叶片”，以功能光热转化材料为微观“叶绿体”，将光热材料搭载于高比表面积3D打印多面体扭转结构陶瓷基体上，从宏观到微观模拟弹簧草叶片的多级层次三维结构，在提高光热转化材料机械稳定性的同时进一步增强光热转化材料的光俘获能力和光热效率，对于光热转化材料在光热超级电容器中的应用，增强光热超级电容器在光照条件下的电容提升效果而言至关重要。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多面体扭转结构高效光热转化材料及制备方法和应用，受到弹簧草宽叶螺旋状卷曲叶片对光合作用促进提升的启发，以多面体框架结构为单元胞，设计仿生多面体扭转结构，通过3D打印工艺得到多面体扭转结构陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在经脱脂烧结、表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体获得三维多面体扭转结构高效光热转化材料。其中，浸渍负载的功能光热材料能够通过光热效应实现光热转化。
技术方案
一种多面体扭转结构高效光热转化材料，其特征在于以多面体框架结构为单元胞，多个多面体框架结构单元胞模型沿XY轴直线方向分别阵列1~100次获得阵列结构，沿阵列结构轴线方向固定一侧端面，另一侧端面相对于固定端面进行扭转得到多面体扭转结构；所述多面体扭转结构采用陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在经脱脂烧结、表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体获得多面体扭转结构高效光热转化材料。
所述多面体框架结构最少面数为2。
所述多面体框架结构的单元胞尺寸为1~100 mm，支撑杆直径为0.1~10 mm。
所述阵列结构的扭转角度不为0°。
一种所述多面体扭转结构高效光热转化材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：按照设计要求的单元胞尺寸，支撑杆直径，以及多面体框架结构单元胞模型沿XY轴直线方向分别的阵列结构，沿阵列结构轴线方向固定一侧端面，另一侧端面相对于固定端面进行扭转得到多面体扭转结构模型，通过Solidworks软件设计绘制多面体框架结构单元胞模型；
步骤2：采用3D打印工艺，将模型文件导入3D打印机中，使用3D打印陶瓷浆料打印多面体扭转结构基体，在800~1400 ℃下烧结2~6小时后获得多面体扭转结构陶瓷基体；
步骤3：将多面体扭转结构陶瓷基体置于粗化溶液中在60~100 ℃下进行表面粗化1~6小时，然后用去离子水反复洗涤直至洗涤液中性，在60~100 ℃真空环境干燥1~9小时；
所述粗化溶液为1~10 M氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液；
步骤4：将光热材料、粘结剂聚偏氟乙烯PVDF和导电助剂乙炔黑按8:1:1的质量比进行混合后加入无水乙醇中超声分散10~60分钟以制备光热材料浆料，光热材料浓度为1~50 mg/mL；
步骤5：将上述粗化处理得到的多面体扭转结构陶瓷基体至少1次浸渍到上述所获得的光热材料浆料中10~60秒，取出后在60~100 ℃真空干燥30~120分钟，得到多面体扭转结构高效光热转化材料。
所述3D打印工艺，包括直写打印、熔融沉积、选区激光烧结、分层实体制造、光固化打印。
所述3D打印陶瓷浆料包括氧化铝、氧化锆、氧化硅、氮化硅、碳化硅、SiOC、SiCN、SiBCN、SiBCO、SiCNO、SiAlCN、SiAlCO的陶瓷浆料。
所述光热材料为MXene、石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点、银量子点中的一种或几种。
一种所述多面体扭转结构高效光热转化材料的应用方法，其特征在于所述多面体扭转结构光热转化材料在光热超级电容器中的应用，能够增强光热超级电容器在光照条件下的性能提升效果。
一种所述多面体扭转结构高效光热转化材料的应用方法，其特征在于所述多面体扭转结构光热转化材料与电解质溶液在具有惰性气体环境的手套箱中组装，得到光热超级电容器；所述电解质溶液为0.1~3 M的硫酸钠、氯化锂、硫酸、氢氧化钾水溶液，优选为1 M硫酸钠水溶液。
有益效果
本发明提出的一种多面体扭转结构高效光热转化材料及制备方法和应用，受到弹簧草宽叶螺旋状卷曲叶片对光合作用促进提升的启发，以多面体框架结构为单元胞，设计仿生多面体扭转结构，通过3D打印工艺得到多面体扭转结构陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体，即可获得多面体扭转结构高效光热转化材料。多面体扭转结构的高比表面积层次设计能够显著降低光线在材料表面的漫反射，允许入射光线在结构内部进行多次内反射，大幅提高材料的光吸收和光俘获特性，显著提升材料在光照条件下的表面平衡温度，相较于平板结构提升104%。本发明制备的多面体扭转结构高效光热转化材料作为光热超级电容器电极能够大幅增强光热效应所引起的容量提升，相较于平板结构提高239%。
本发明高效光热转化材料具有宏观仿生三维多面体扭转结构，通过浸渍负载将3D打印三维多面体扭转结构陶瓷基体与光热转化材料的结合，通过宏观结构的设计优化可以显著降低光线的漫反射，提升材料内部光线反射，实现光线的高效吸收和俘获，所获得的多面体扭转结构光热转化材料具有大幅提升的光热转化能力，应用于光热超级电容器具有显著增强的光热响应电容提升效果；进一步的说：
（1）通过设计打印得到多面体扭转结构陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体上，从而得到具有宏观三维多面体扭转结构的高效光热转化材料。
（2）本发明所得多面体扭转结构光热转化材料能够大幅降低光线在材料表面的漫反射，同时显著提升结构内部的光线反射，有效提高光热转化材料的光吸收和光俘获效果，有利于入射光线在材料内部的均匀分布，在1 kW/m2模拟太阳光下照射300秒后表面平衡温度可达67.6°C（环境温度17.5°C），表面温度变化相较于平板结构光热转化材料提升104%。
（3）本发明所得多面体扭转结构光热转化材料能够大幅促进光热超级电容器在光照条件下的容量提升，相较于黑暗环境条件，在1 kW/m2强度模拟太阳光环境下，所得多面体扭转结构光热转化材料基超级电容器在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为35.6%，相较于平板结构光热转化材料提高239%。
附图说明
图1为本发明多面体扭转结构高效光热转化材料的制备流程示意图；
图2、3为本发明实施例1~5的不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的14面体框架结构单元胞模型图和阵列结构模型图
图4为本发明实施例1~5的不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的三维模型图；
图5为本发明实施例1~5的不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的实物对比图；
图6为本发明实施例1的多面体扭转结构光热转化材料的低放大倍数SEM图片；
图7为本发明实施例1的多面体扭转结构光热转化材料的高放大倍数SEM图片；
图8为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构的内部光线传输的模拟结果；
图9为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下的红外热成像对比图（环境温度17.5°C）；
图10为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下的表面温度变化比较图；
图11为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下5 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图；
图12为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下50 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图；
图13为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下500 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的光热转化材料以3D打印多面体扭转结构SiOC陶瓷为基底，以石墨烯量子点/MXene为功能材料，并通过浸渍涂覆的方法得到具有仿生弹簧草宏观结构的多面体扭转结构高效光热转化材料。本发明三维结构化光热转化材料的制备方法包括如下步骤：宏观结构设计打印、脱脂烧结、表面粗化、光热材料浆料制备和浸渍负载。本发明的多面体扭转结构三维光热转化材料能够显著提高表面平衡温度，大幅促进光热超级电容器在光照条件下的容量提升效果。
实施例1
由图1所示：
（1）通过Solidworks软件设计绘制14面体框架结构单元胞模型，单元胞尺寸为4mm，支撑杆直径为0.4 mm（参见图2）。
（2）通过Solidworks软件将步骤（1）中所获得的单元胞模型沿X轴直线方向阵列2次，Y轴直线方向阵列6次获得阵列结构（参见图3），沿阵列结构轴线方向固定一侧端面，另一侧端面相对于固定端面进行720°扭转得到多面体扭转结构模型（参见图4）。
（3）将模型文件导入3D打印机中，使用SiOC陶瓷浆料打印多面体扭转结构基体，在900 ℃下烧结4小时后获得多面体扭转结构陶瓷基体。
（4）将步骤（3）所获得的多面体扭转结构陶瓷基体置于5 M 氢氧化钠水溶液中在80 ℃下进行表面粗化3小时，然后用去离子水反复洗涤直至洗涤液中性，在80 ℃真空环境干燥5小时。
（5）将石墨烯量子点/MXene光热材料、粘结剂聚偏氟乙烯PVDF和导电助剂乙炔黑按8:1:1的质量比进行混合后加入无水乙醇中超声分散30分钟以制备光热材料浆料，其中石墨烯量子点/MXene浓度为20 mg/mL。
（6）在室温条件下，将步骤（4）所获得的粗化处理后的多面体扭转结构SiOC陶瓷基体浸渍到步骤（5）所获得的光热材料浆料中30秒，取出后在80 ℃真空干燥60分钟。
（7）重复步骤（6）的浸渍-干燥操作5次，得到多面体扭转结构高效光热转化材料（参见图5、6、7）。由图5、6、7可见光热材料浸渍负载后均匀包裹在基底表面，且石墨烯量子点/MXene的手风琴状微观形貌也得到了良好的保持。
（8）将两个步骤（7）所述多面体扭转结构光热转化材料与1 M硫酸钠电解质溶液在具有惰性气体环境的手套箱中组装，得到光热超级电容器。
由图8可见，相较于同材质的平板结构光热转化材料，多面体扭转结构光热转化材料能够大幅降低表面的漫反射，同时显著提升结构内部的光线反射；随着扭转角度的增加，光俘获效果不断提升，光线分布趋于均匀，有利于光热转化效率的进一步升高。随着时间的延长，高扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的光吸收和光俘获效应更加显著。
由图9和图10可见，多面体扭转结构光热转化材料可以极大提高表面平衡温度。在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后，扭转角度为720°的多面体扭转结构光热转化材料表面平衡温度可达67.6°C（环境温度17.5°C），相比于平板结构光热转化材料表面温度变化（ΔT）提升104%。
由图11、12、13可见，多面体扭转结构光热转化材料可以显著增强光热超级电容器的光热驱动性能提升效果。相较于黑暗环境条件，在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下，所述多面体扭转结构光热转化材料基光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为13.8%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为26.4%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为35.6%，均远远高于平板结构光热转化材料基光热超级电容器在光照条件下的比容量提升幅度，分别提升了182%，218%和239%。
实施例2
与实施例1不同之处在于：将步骤（2）中扭转角度设置为540°。
该多面体扭转结构光热转化材料在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后的表面平衡温度可达64.6 °C，所获得的光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为9.5%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为24.0%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为28.8%。
实施例3
与实施例1不同之处在于：将步骤（2）中扭转角度设置为360°。
该多面体扭转结构光热转化材料在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后的表面平衡温度可达60.6 °C，所获得的光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为8.5%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为21.5%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为21.8%。
实施例4
与实施例1不同之处在于：将步骤（2）中扭转角度设置为180°。
该多面体扭转结构光热转化材料在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后的表面平衡温度可达55.4 °C，所获得的光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为7.5%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为16.9%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为18.7%。
实施例5
与实施例1不同之处在于：将步骤（2）中扭转角度设置为0°。
该多面体扭转结构光热转化材料在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后的表面平衡温度可达49.1 °C，所获得的光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为7.1%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为11.5%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为16.2%。
对比例1
（1）通过Solidworks软件设计绘制正六面体结构单元胞模型，单元胞尺寸为4 mm。
（2）通过Solidworks软件将步骤（1）中所获得的单元胞模型沿X轴直线方向阵列2次，Y轴直线方向阵列6次获得平板结构模型。
（3）将模型文件导入3D打印机中，使用SiOC陶瓷浆料打印平板结构基体，在900 ℃下烧结4小时后获得平板结构陶瓷基体。
（4）将步骤（3）所获得的平板结构陶瓷基体置于5 M 氢氧化钠水溶液中在80 ℃下进行表面粗化3小时，然后用去离子水反复洗涤直至洗涤液中性，在80 ℃真空环境干燥5小时。
（5）将石墨烯量子点/MXene光热材料、粘结剂聚偏氟乙烯PVDF和导电助剂乙炔黑按8:1:1的质量比进行混合后加入无水乙醇中超声分散30分钟以制备光热材料浆料，其中石墨烯量子点/MXene浓度为20 mg/mL。
（6）在室温条件下，将步骤（4）所获得的粗化处理后的平板结构SiOC陶瓷基体浸渍到步骤（5）所获得的光热材料浆料中30秒，取出后在80 ℃真空干燥60分钟。
（7）重复步骤（6）的浸渍-干燥操作5次，得到平板结构光热转化材料。
（8）将两个步骤（7）所述平板结构光热转化材料与1 M硫酸钠电解质溶液在具有惰性气体环境的手套箱中组装，得到光热超级电容器。
该平板结构光热转化材料在1 kW/m2辐照强度模拟太阳光下照射300秒后的表面平衡温度为42.0 °C，所获得的光热超级电容器在5 mA/cm2电流密度下的比容量提升为4.9%，在50 mA/cm2电流密度下的比容量提升为8.3%，在500 mA/cm2电流密度下的比容量提升为10.5%。
本发明高效光热转化材料具有宏观三维多面体扭转结构，通过3D打印工艺得到多面体扭转结构陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在经烧结成型和表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体获得三维多面体扭转结构高效光热转化材料。
图2、3为本发明实施例1~5的不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的14面体框架结构单元胞模型图和阵列结构模型图，图4为本发明实施例1~5的不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料的三维模型图。受到弹簧草宽叶螺旋状卷曲叶片对光合作用促进提升的启发，以多面体框架结构为单元胞，设计仿生多面体扭转结构。本发明以多面体框架结构单元胞为“细胞单元”，以扭转阵列结构为宏观“卷曲叶片”，以功能光热转化材料为微观“叶绿体”，从宏观到微观模拟弹簧草的多级层次三维结构，从而显著降低光线的表面漫反射，提升材料内部光线反射，实现光线的高效吸收和俘获。
由图5、6、7可见3D打印多面体扭转结构基体良好的保持了绘制模型的构型和设计，石墨烯量子点/MXene光热材料浆料浸渍负载后均匀包裹在多面体扭转结构基底表面，且石墨烯量子点/MXene的手风琴状微观形貌也得到了良好的保持。
图8中，利用Comsol Multiphasics进行有限元模拟，仿真分析光线在不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构中的传输。将指定真空波长（660 nm）的光线平行释放到结构模型中，光线的传播范围受到结构几何边界的约束。在不考虑热效应的情况下，环境温度、折射率、时间步长和输出时间分别设定为293.15 K、50000、0.001 ns和10 ns。根据光学原理，采用蒙特卡罗射线追踪法生成三维物体的全局照明图像。如附图8所示，当t=0.01 ns时，相较于平板结构，多面体扭转结构的漫反射显著降低、内部光线反射明显增强。同时，随着扭转角度的增加，光俘获效果不断提升，光线分布趋于均匀，这有利于光热转化材料温度的均匀升高。随着时间的进一步延长，高扭转角度多面体扭转结构的光吸收和光俘获效应变得更加显著，证明多面体扭转结构是一种理想的光俘获结构。
图9为不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1kW/m2模拟太阳光下的红外热成像对比图（环境温度17.5 °C）。可以看出，在同等光照条件下不同扭转角度的多面体扭转结构光热转化材料的表面温度（49.1~67.6 °C）均显著高于平板结构（42.0 °C），且同等光照条件下高扭转角度光热转化材料的表面温度更高，提升效果更为明显，进一步证实了该结构的光吸收和光俘获效应及其对光热效应的增强作用。
图10为不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1kW/m2模拟太阳光下的表面温度变化（ΔT）曲线图。可以清楚看到在1 kW/m2模拟太阳光下照射3分钟后，平板结构光热转化材料的ΔT仅为24.5 °C，而扭转角度为720°的多面体扭转结构的ΔT可达50.1 °C，提升幅度达104%，且各扭转角度的多面体扭转结构ΔT始终高于平板结构，进一步证实了多面体扭转结构光热转化材料的光热转换能力相较于传统平板结构有着明显增强。
图11为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下5 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图。可以看出，平板结构光热转化材料基光热超级电容器在在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下的电容性能相较于黑暗条件下仅提升4.9%，对于不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料基光热超级电容器提升幅度随着扭转角度的增大而逐渐增大，最高可达13.8%（提升182%），进一步证实了多面体扭转结构光热转化材料相较于平板结构有着显著增强的光热驱动电容增强效果。
图12为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下50 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图。可以看出，平板结构光热转化材料基光热超级电容器在在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下的电容性能相较于黑暗条件下仅提升8.3%，对于不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料基光热超级电容器提升幅度随着扭转角度的增大而逐渐增大，最高可达26.4%（提升218%）。进一步证实了多面体扭转结构光热转化材料相较于平板结构有着显著增强的光热驱动电容增强效果。
图13为本发明实施例1~5及对比例1的不同扭转角度多面体扭转结构及平板结构光热转化材料在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下和黑暗条件下500 mA/cm2电流密度时的电容性能对比图。可以看出，平板结构光热转化材料基光热超级电容器在辐照强度为1 kW/m2模拟太阳光下的电容性能相较于黑暗条件下仅提升10.5%，对于不同扭转角度多面体扭转结构光热转化材料基光热超级电容器提升幅度随着扭转角度的增大而逐渐增大，最高可达35.6%（提升239%）。进一步证实了多面体扭转结构光热转化材料相较于平板结构有着显著增强的光热驱动电容增强效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多面体扭转结构光热转化材料，其特征在于以多面体框架结构为单元胞，多个多面体框架结构单元胞模型沿XY轴直线方向分别阵列1~100次获得阵列结构，沿阵列结构轴线方向固定一侧端面，另一侧端面相对于固定端面进行扭转得到多面体扭转结构；所述多面体扭转结构采用陶瓷基体，将光热材料浆料浸渍涂覆在经脱脂烧结、表面粗化处理后的多面体扭转结构陶瓷基体获得多面体扭转结构光热转化材料；
所述多面体框架结构最少面数为2；
所述多面体框架结构的单元胞尺寸为1~100 mm，支撑杆直径为0.1~10 mm；
所述阵列结构的扭转角度不为0°。
2.一种权利要求1所述多面体扭转结构光热转化材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：按照设计要求的单元胞尺寸，支撑杆直径，以及多面体框架结构单元胞模型沿XY轴直线方向分别的阵列结构，沿阵列结构轴线方向固定一侧端面，另一侧端面相对于固定端面进行扭转得到多面体扭转结构模型，通过Solidworks软件设计绘制多面体框架结构单元胞模型；
步骤2：采用3D打印工艺，将模型文件导入3D打印机中，使用3D打印陶瓷浆料打印多面体扭转结构基体，在800~1400 ℃下烧结2~6小时后获得多面体扭转结构陶瓷基体；
步骤3：将多面体扭转结构陶瓷基体置于粗化溶液中在60~100 ℃下进行表面粗化1~6小时，然后用去离子水反复洗涤直至洗涤液中性，在60~100 ℃真空环境干燥1~9小时；
所述粗化溶液为1~10 M氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液；
步骤4：将光热材料、粘结剂聚偏氟乙烯PVDF和导电助剂乙炔黑按8:1:1的质量比进行混合后加入无水乙醇中超声分散10~60分钟以制备光热材料浆料，光热材料浓度为1~50mg/mL；
步骤5：将上述粗化处理得到的多面体扭转结构陶瓷基体至少1次浸渍到上述光热材料浆料中10~60秒，取出后在60~100 ℃真空干燥30~120分钟，得到多面体扭转结构光热转化材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述3D打印工艺，包括直写打印、熔融沉积、选区激光烧结、分层实体制造、光固化打印。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述3D打印陶瓷浆料包括氧化铝、氧化锆、氧化硅、氮化硅、碳化硅、SiOC、SiCN、SiBCN、SiBCO、SiCNO、SiAlCN、SiAlCO的陶瓷浆料。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述光热材料为MXene、石墨烯、碳纳米管、银量子点中的一种或几种。
6. 一种权利要求1所述多面体扭转结构光热转化材料的应用方法，其特征在于所述多面体扭转结构光热转化材料与电解质溶液在具有惰性气体环境的手套箱中组装，得到光热超级电容器；所述电解质溶液为0.1~3 M的硫酸钠、氯化锂、硫酸、氢氧化钾水溶液。
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| CN113633829A (zh) * | 2021-07-12 | 2021-11-12 | 深圳大学 | 一种多功能复合多孔支架及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115116755A (zh) | 2022-09-27 |
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