CN115975499A - 一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，包括：将多孔基底浸入到单宁酸‑吡咯的混合溶液中浸泡反应；随后浸入三氯化铁溶液中进行聚合，制得单宁酸‑聚吡咯光热涂层；本发明创新地利用聚吡咯、多酚、金属的自组装特性，通过简单的复合方法，制备具有优异的光热响应性能、快速水扩散特点和高效的太阳能界面蒸发性能的光热涂层复合材料；该方法具有较好的普适性，可适用多种不同材质、不同维度的多孔基底；特别地，在一个太阳光照下通过气凝胶构建的太阳能界面蒸发材料DVA@单宁酸‑聚吡咯的水蒸发速率可高达3.61kg·m‑2·h‑1，太阳能‑水蒸汽转换效率能高达97.1％。
Description
技术领域
本发明属于能源环境材料领域，特别涉及一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法。
背景技术
清洁水资源短缺和能源短缺是当今我国社会快速发展的一处短板。传统清洁水的生产主要通过反渗透、多级闪蒸和低温多效蒸馏等方法获得清洁水，但是这些方法需要消耗大量燃料和电力，因此，我们迫切需要开发一种低成本、绿色可持续的新技术。海水淡化以及污水净化是解决清洁水短缺的有效方法。太阳能作为一种绿色可持续的能源越来越得到人们的重视，基于太阳能的界面蒸发技术可利用太阳能来进行海水淡化、污水净化从而生产清洁水，具有极大的应用前景。
太阳能界面蒸发技术是通过利用光热材料吸收太阳光并将其转换为热能从而用于加热气-液界面的水，使得水通过水蒸气逃逸，从而获得清洁水资源的技术。相对于传统的太阳能利用方式，太阳能界面蒸发能够通过热局域的方式将热量集中于气-液界面对界面水进行加热，从而避免了加热整体水造成的热损失。目前，太阳能界面蒸发技术主要用于海水淡化生产清洁水、高浓度盐水脱盐、有机物脱除、重金属污水处理等方面。传统光热材料包括碳基材料，贵金属材料，半导体材料，虽然无机材料包括贵金属材料和半导体材料具有较高的太阳能-热能的转换效率，但其高昂的价格限制了大规模应用，而碳基材料因为其低成本、宽光谱吸收范围等优点，具有更好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，具有成本低廉、制备方法简单、蒸发速率高、太阳能-蒸汽转换效率高的特点。
本发明的技术方案如下：
一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制溶液
将吡咯用乙醇溶解，得到吡咯溶液；将单宁酸用Tris-HCl缓冲溶液溶解，得到单宁酸溶液；将所得吡咯溶液和单宁酸溶液均匀混合，得到单宁酸-吡咯混合溶液备用；将六水三氯化铁用去离子水溶解，得到三氯化铁溶液备用；
所述吡咯与乙醇的体积比为1：1-10，优选的，吡咯与乙醇混合后，在10-20℃下超声5-25min得到吡咯溶液；
所述Tris-HCl缓冲溶液的pH为7-10，优选的，单宁酸与Tris-HCl缓冲溶液混合后，常温下超声5-25min，所得单宁酸溶液的浓度为0.005-0.15mol/L；
所述单宁酸溶液与吡咯溶液的体积比为1：0.1-2，优选的，将吡咯溶液和单宁酸溶液混合后，常温下超声5-25min得到单宁酸-吡咯混合溶液；
所述六水三氯化铁与去离子水的质量比为1：1-10，优选的，六水三氯化铁与去离子水混合后，常温下超声5-25min得到三氯化铁溶液；
(2)光热涂层复合材料的制备
将多孔基底(记作M)浸没于步骤(1)配制的单宁酸-吡咯混合溶液中1-8h，接着取出浸没于步骤(1)配制的三氯化铁溶液中10-30min(三氯化铁与单宁酸和吡咯接触发生金属-多酚配位和吡咯氧化聚合反应)，之后取出用去离子水清洗，室温下干燥，得到所述的光热涂层复合材料(记作M@TA-PPy)；
优选的，所述多孔基底在使用前置于乙醇中常温下浸泡30min，以清洗其杂质，之后经去离子水清洗，常温晾干备用；
所述多孔基底可选自：滤纸、滤膜、无纺布、棉布、气凝胶等。
本发明涉及上述制备方法制得的光热涂层复合材料。
本发明还涉及所述光热涂层复合材料在太阳能界面蒸发技术中作为界面光热蒸发材料的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，通过价格低廉的单宁酸和吡咯和简单的两步浸泡可在多种多孔基底合成光热涂层复合材料，制备过程简易，制备成本低，易于规模化制备。同时，光热涂层复合材料稳定性好，经过强酸碱、高温、超声、低温冻融等极端条件处理后仍能够保持其结构和太阳能蒸发性能。且对于不同基底合成的光热涂层复合材料均具有较高的太阳能界面蒸发速率以及太阳能-蒸汽转换效率。
本发明创新地利用聚吡咯、多酚、金属离子的自组装特性，通过简单的复合方法，制备具有优异的光热响应性能、快速水传输特点和高效的太阳能界面蒸发性能的光热涂层复合材料。其中，光热涂层内多酚-金属离子网络粘合作用、聚吡咯-金属离子间配位作用及多酚-聚吡咯间静电作用可赋予光热涂层广泛的复合能力，同时，光热涂层呈现纳米网络多孔结构可增强涂层优异的水传输能力和光吸收能力。该方法具有较好的普适性，可适用多种不同材质、不同维度的多孔基底。特别地，在一个太阳光照下通过气凝胶(DVA)构建的太阳能界面蒸发材料DVA@单宁酸-聚吡咯的水蒸发速率可高达3.61kg·m-2·h-1，太阳能-水蒸汽转换效率能高达97.1％。
附图说明
图1为光热涂层的扫面电子显微镜图。
图2为不同实施例光热涂层复合材料的水蒸发速率。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制溶液：
取0.2mM单宁酸溶解到20ml Tris-HCl缓冲溶液中，常温下超声10min，超声结束后，配制得单宁酸溶液。取2ml吡咯溶解于20ml乙醇中，15℃下超声10min，超声结束后，制得吡咯溶液。将吡咯溶液和单宁酸溶液混合均匀，常温下超声10min，配制得单宁酸-吡咯溶液。取2g六水三氯化铁溶解于20ml去离子水，常温下超声10min，超声结束后，配制得三氯化铁溶液备用。
2)光热涂层复合材料的制备：
将多孔基底滤纸(Filter Paper，阿拉丁，Q5778，90mm)经过乙醇浸泡30min来脱除其杂质，经过去离子水清洗，常温干燥后备用。将清洗完成后的滤纸浸泡到单宁酸-吡咯溶液中5h。将浸泡完单宁酸-吡咯溶液的滤纸直接浸入三氯化铁溶液中进行20min氧化聚合。将氧化聚合完成后的滤纸由去离子水清洗数遍，常温下干燥制得滤纸@单宁酸-聚吡咯(标记为Filter Paper@TA-PPy)。
应用测试实验1：
对实施例1制备的Filter Paper@TA-PPy进行蒸发率测试：通过氙光光源来模拟太阳光，测试过程中控制光强度为1Kw·m-2(即一个太阳光强度)。将Filter Paper@TA-PPy裁剪为2cm*2cm的正方形固定于隔热泡沫支撑体上并浮于盛装水的称量瓶，通过分析天平记录称量瓶中水的质量变化来计算其太阳能界面蒸发性能。
其中，上述1Kw·m-2模拟氙光光源照射的条件下，光照下测试的蒸发率公式如(1)所示，太阳能-蒸汽转换效率公式如(2)所示。
光照下测试的蒸发率计算公式：
式(1)中：mlight表示光照下测试的蒸发率；
Δm表示ΔT时间内质量变化；
A表示材料受光照面积。
光照下测试的太阳能-蒸汽转换效率计算公式：
式(2)中，η表示太阳能-蒸汽转换效率；
hLV表示水蒸发焓；
copt表示光学浓度，表示几个太阳强度的单位，即copt＝1；
qi表示光照强度，取值为1kw·m-2；
m＝mlight-mdark；
其中，mdark表示空白对照的蒸发率数据结果，即是将上述测试的光照环境(即1太阳光强度的模拟氙光光源照射环境)替换为在黑暗条件下进行时，黑暗下测试计算的蒸发率结果。黑暗下测试的蒸发率计算方法，可参照式(1)的方法进行计算。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表1和图2所示。
实施例2
实施例2的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例2的步骤2)多孔基底的选择中，将“多孔基底滤纸(Filter Paper)”替换为“尼龙(Nylon，MembraneSolution，Nylon，0.22μm)滤膜”，其他操作同实施例1，最终在尼龙(Nylon)滤膜基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为Nylon@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表1和图2所示。
实施例3
实施例3的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例3的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“亲水聚偏氟乙烯(HydrophilicPVDF，Membrane Solution，Hydrophilic PVDF，0.22μm)滤膜”，其他操作同实施例1，最终在亲水聚偏氟乙烯(Hydrophilic PVDF)滤膜基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为Hydrophilic PVDF@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表1和图2所示。
实施例4
实施例4的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例4的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“疏水聚偏氟乙烯(HydrophobicPVDF，Membrane Solution，Hydrophobic PVDF，0.22μm)滤膜”，其他操作同实施例1，最终在亲水聚偏氟乙烯(Hydrophobic PVDF)滤膜基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为Hydrophobic PVDF@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表1和图2所示。
实施例5
实施例5的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例5的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“再生纤维素(RC，GE Health，RC-58，0.22μm)滤膜”，其他操作同实施例1，最终在再生纤维素(RC)滤膜基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为RC@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表1和图2所示。
表1
实施例6
实施例6的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例6的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“无纺布-PET(NWF-PET，Yudeng，P50)”，其他操作同实施例1，最终在无纺布-PET(NWF-PET)基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为NWF-PET@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表2和图2所示。
实施例7
实施例7的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例7的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“医用口罩外层无纺布(FM-OUT，阿拉丁，C-293927-01-30EA)”，其他操作同实施例1，最终在医用口罩外层无纺布(FM-OUT)基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为FM-OUT@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表2和图2所示。
实施例8
实施例8的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例8的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“医用口罩中间层无纺布(FM-M，阿拉丁，C-293927-01-30EA)”，其他操作同实施例1，最终在医用口罩中间层无纺布(FM-M)基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为FM-M@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表2和图2所示。
实施例9
实施例9的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例9的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“棉布(Cotton，Lansaisi，25*25)”，其他操作同实施例1，最终在棉布(Cotton)基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为Cotton@TA-PPy)。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表2和图2所示。
实施例10
实施例10的光热涂层的制备方法重复实施例1，不同之处仅在于实施例10的步骤2)多孔基底的选择中，将“滤纸(Filter Paper)”替换为“气凝胶(DVA，自制)”，其他操作同实施例1，最终在气凝胶(DVA)基底上制得单宁酸-吡咯光热涂层(标记为DVA@TA-PPy)。
所述气凝胶(DVA)通过溶胶-凝胶法制备，由甲基乙烯基二甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷在弱酸条件下水解并在弱碱条件下缩合制得，具体如下：将1.0g十二烷基三甲基氯化铵和5.0g尿素溶解在15ml浓度为5mmol/L的醋酸水溶液后加入3.3g甲基乙烯基二甲氧基硅烷和1.5g mol的乙烯基三甲氧基硅烷，在室温下剧烈搅拌，得到均匀的前驱体溶胶。将前驱体溶胶转移到密封容器中在80℃下9h以完成凝胶化和老化。所得凝胶经反复浸泡和挤压，用甲醇彻底清洗，去除残留的表面活性剂和未反应的化学物质，最后在真空烘箱中室温干燥，制得DVA气凝胶。
DVA实物图及其在10μm、2μm下的SEM图如图1中(a)所示。DVA@TA-PPy的实物图及其在10μm、2μm下的SEM图如图1中(b)所示。单宁酸-聚吡咯光热涂层呈纳米网络形貌复合于DVA基底表面。
由上述实施例制备的光热涂层复合材料的光热蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率如表2和图2所示。
表2
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (8)
1.一种用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制溶液
将吡咯用乙醇溶解，得到吡咯溶液；将单宁酸用Tris-HCl缓冲溶液溶解，得到单宁酸溶液；将所得吡咯溶液和单宁酸溶液均匀混合，得到单宁酸-吡咯混合溶液备用；将六水三氯化铁用去离子水溶解，得到三氯化铁溶液备用；
(2)光热涂层复合材料的制备
将多孔基底浸没于步骤(1)配制的单宁酸-吡咯混合溶液中1-8h，接着取出浸没于步骤(1)配制的三氯化铁溶液中10-30min，之后取出用去离子水清洗，室温下干燥，得到所述的光热涂层复合材料。
2.如权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述吡咯与乙醇的体积比为1：1-10，吡咯与乙醇混合后，在10-20℃下超声5-25min得到吡咯溶液。
3.如权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Tris-HCl缓冲溶液的pH为7-10，单宁酸与Tris-HCl缓冲溶液混合后，常温下超声5-25min，所得单宁酸溶液的浓度为0.005-0.15mol/L。
4.如权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述单宁酸溶液与吡咯溶液的体积比为1：0.1-2，将吡咯溶液和单宁酸溶液混合后，常温下超声5-25min得到单宁酸-吡咯混合溶液。
5.如权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述六水三氯化铁与去离子水的质量比为1：1-10，六水三氯化铁与去离子水混合后，常温下超声5-25min得到三氯化铁溶液。
6.如权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述多孔基底选自：滤纸、滤膜、无纺布、棉布或气凝胶。
7.如权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的光热涂层复合材料。
8.如权利要求7所述的光热涂层复合材料在太阳能界面蒸发技术中作为界面光热蒸发材料的应用。
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