一種太陽能燃料及其制備方法
【專利摘要】一種太陽能燃料。碳納米管與石墨烯組成彈性氣凝膠中，在碳納米管壁上接枝有光致異構(gòu)體（如偶氮苯或含有偶氮苯基團(tuán)的化合物、螺吡喃化合物、二芳基乙烯類化合物等），其目的在于提供一種新型的利用太陽能的方式，克服現(xiàn)有的利用太陽能的方式中存在的能量儲存、設(shè)備難以移動等問題。首先用碳納米管（或添加石墨烯）制備薄片狀（或絨布樣）彈性氣凝膠，再共價(jià)接枝有兩個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)且能級有差異的光致異構(gòu)體；或先在碳納米管上共價(jià)接枝有兩個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)且能級有差異的光致異構(gòu)體，再用功能化的碳納米管制備成薄片海綿樣彈性氣凝膠。本發(fā)明制備的太陽能燃料為太陽能利用提供一條新型的途徑。
【專利說明】一種太陽能燃料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能利用領(lǐng)域的技術(shù)，特別涉及一種太陽能燃料。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為可再生的清潔能源受到廣泛關(guān)注。目前太能的利用主要有兩大類，一種是太陽能電池裝置，如硅太陽能電池，它利用半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料將光能轉(zhuǎn)化為電能，然后加以利用；一種是太陽能蓄熱裝置，如太陽能熱水器，它將光能轉(zhuǎn)化為熱能，儲蓄在比熱較大的水等液態(tài)物質(zhì)之中，然后加以利用。這兩種太陽能的利用方式都由于陽光的不穩(wěn)定性，存在著能量的儲存問題，例如由太陽能電池組成的系統(tǒng)需要配套的蓄電池來儲存所轉(zhuǎn)換的電能，以備在晚上或陰天等需要能量的時候使用；廣泛使用的太陽能熱水器在連續(xù)無陽光的天候中，因?yàn)闊崃康闹饾u流失，而無法提供所需的能量。除此之外，為了獲取較多的太陽能，現(xiàn)有的系統(tǒng)均需要較大的集光面積，由于系統(tǒng)均為剛性結(jié)構(gòu)，在不使用或備用的情況下，系統(tǒng)占用的空間很大，更不方便系統(tǒng)的移動和運(yùn)輸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對以上的問題提出一種新型的解決方案，提供一種可重復(fù)使用的太陽能燃料。
[0004]碳納米管是一種具有優(yōu)良力學(xué)、光學(xué)性能的新型納米材料，也具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，由單壁(和/或多壁)碳納米管形成的彈性氣凝膠材料具有良好的物理化學(xué)性能，并具有豐富的微、納米級的孔隙，在氣凝膠中的碳納米管壁上可以接枝光致異構(gòu)體形成太陽能燃料。
[0005]石墨烯也是一種新型的碳二維材料。其與碳納米管共同組成的彈性氣凝膠具有較之單純碳納米管形成的彈性氣凝膠更為優(yōu)良的力學(xué)性能，利于太陽能燃料的重復(fù)使用。
[0006]光致異構(gòu)體是一種在光的照射下能夠發(fā)生分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的同分子式的物質(zhì)。它的不同結(jié)構(gòu)往往具有不同的最低分子能級(如圖1)。具有最低能級的結(jié)構(gòu)A態(tài)在陽光的照射下進(jìn)入激發(fā)態(tài)，分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，儲存了能量Λ E轉(zhuǎn)變至結(jié)構(gòu)B態(tài)；在自然馳豫或外界光、熱、電、觸媒等觸發(fā)條件下克服較低的能壘，釋放能量，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)恢復(fù)到A態(tài)。這一循環(huán)過程即可達(dá)到儲存和釋放太陽能的目的，如同一種可循環(huán)使用的太陽能燃料。
[0007]具有兩個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的光致異構(gòu)體，如偶氮苯及含有偶氮苯基團(tuán)的化合物、二芳基乙烯類化合物和螺吡喃類化合物等等，雖然在光的激發(fā)下會發(fā)生異構(gòu)反應(yīng)，但由于通常情況下這類物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)或液晶態(tài)的形式存在，分子之間的相互作用妨礙了這種異構(gòu)反應(yīng)的發(fā)生，使得異構(gòu)反應(yīng)的量子產(chǎn)率不高，導(dǎo)致無法直接使用這類物質(zhì)來進(jìn)行太陽能的利用。
[0008]使用光致異構(gòu)體如偶氮苯、二芳基乙烯、螺吡喃等化合物在碳納米管上進(jìn)行接枝反應(yīng)，形成功能化的碳納米管材料，用于光開關(guān)、光致動等微觀器件，是目前光致異構(gòu)體與碳納米管接枝的主要應(yīng)用領(lǐng)域，接枝后形成的材料也是作為固態(tài)、液態(tài)或液晶態(tài)來使用，也無法有效地進(jìn)行太陽能的利用。
[0009]光致異構(gòu)體化合物接枝碳納米管的方法有化學(xué)合成法、加熱、微波輻照等。
[0010]由碳納米管(或碳納米管和石墨烯)構(gòu)成的彈性氣凝膠具有微、納米級的孔隙，將光致異構(gòu)體接枝在組成彈性氣凝膠的碳納米管的壁上，如圖2所示，彈性氣凝膠中的碳納米管猶如骨架，為在其上所接枝的光致異構(gòu)體提供了相對自由的空間，從而減弱或切斷光致異構(gòu)體分子之間的相互作用，使得接枝的光致異構(gòu)體分子的光致異構(gòu)反應(yīng)順利進(jìn)行，進(jìn)而有效地達(dá)到太陽能儲存和釋放的利用效果。
[0011]像有顏色的布的生產(chǎn)，可以將棉線先織成白布再染色，也可以棉線先染色再織布一樣，太陽能燃料的生產(chǎn)也可以先將碳納米管制備成彈性氣凝膠，再接枝光致異構(gòu)體，或先將光致異構(gòu)體接枝到碳納米管，再用功能化的碳納米管制成彈性氣凝膠。
[0012]本發(fā)明提出一種新型的解決方案，將光致異構(gòu)體(如偶氮苯及其化合物、二芳基乙烯類化合物和螺吡喃類化合物等等)接枝在組成彈性氣凝膠的碳納米管的壁上，形成太陽能燃料，從而實(shí)現(xiàn)了太陽能的儲存和利用。本發(fā)明中的太陽能燃料以較薄的平面體形態(tài)(如海綿狀、絨布狀)展開吸收太陽能，儲存和釋放能量時可以擠壓、卷捆和/或堆疊成占用面積較小的形態(tài)，釋放能量的過程宛如使用燃料。本發(fā)明中的太陽能燃料在釋放能量時可以用自然緩釋或觸發(fā)的方式來利用所儲存的太陽能；最佳的方式是使用可控觸發(fā)的方式，觸發(fā)可以使用光、熱、電或催化劑來進(jìn)行，或組合使用上述手段以獲得好的使用效果。
[0013]本發(fā)明制備的太陽能燃料使用方便、便于移動和儲存，可重復(fù)使用，為太陽能利用提供一條新型的途徑。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1所示為光致異構(gòu)體的能級關(guān)系圖，A態(tài)為光致異構(gòu)體分子能級低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在I吸收太陽光能量后，進(jìn)入激發(fā)態(tài)，發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化2，經(jīng)過自然馳豫3進(jìn)入B態(tài)，B態(tài)的分子能級與A態(tài)相比，具有Λ E的差值，從而儲存了太陽能；處于B態(tài)的光致異構(gòu)體在4外界光、熱、電、催化劑的觸發(fā)或自然馳豫下，經(jīng)過5釋放能量和結(jié)構(gòu)改變，恢復(fù)到A態(tài)，完成利用太陽能的一個循環(huán)。
[0015]圖2所示為光致異構(gòu)體在彈性氣凝膠中的碳納米管上的接枝示意圖，碳納米管對于光致異構(gòu)體起著相當(dāng)于骨架的功能，光致異構(gòu)體分子之間的相互作用受到減弱或切斷，使得分子的結(jié)構(gòu)異構(gòu)化順利發(fā)生。
[0016]具體實(shí)施方案:
實(shí)施例1:
取厚度2_、密度約5mg/cm3的碳納米管/石墨烯基的彈性氣凝膠，將彈性氣凝膠浸入濃硫酸中回流一小時，取出用去離子純凈水沖洗致中性，送入干燥箱升溫至90°C干燥，將干燥后的彈性氣凝膠放入溶有偶氮苯的乙醇溶液中升溫至80°C回流二小時進(jìn)行化學(xué)合成接枝反應(yīng)，使偶氮苯鏈接在彈性氣凝膠中的碳納米管壁之上，接枝完成的彈性氣凝膠即為太陽能燃料。
[0017]實(shí)施例2:
取厚度3mm、密度約20mg/ cm3的碳納米管彈性氣凝膠，將彈性氣凝膠浸入濃硫酸中回流一小時，取出用去離子純凈水沖洗致中性，送入干燥箱升溫至90°C干燥，將干燥后的彈性氣凝膠放入溶有螺吡喃染料的乙醇溶液中，對彈性氣凝膠進(jìn)行通電加熱，控制電流使溫度保持在80°C，進(jìn)行接枝反應(yīng)，使螺吡喃染料鏈接在彈性氣凝膠的碳納米管壁之上，接枝完成的彈性氣凝膠即為太陽能燃料。
[0018]實(shí)施例3;
取一單位的碳納米管，將碳納米管超聲分散于濃硫酸中回流一小時，取出用去離子純凈水沖洗致中性，送入干燥箱升溫至90°C干燥，將干燥后的碳納米管放入溶有偶氮苯的乙醇溶液中升溫至80°C回流二小時進(jìn)行化學(xué)合成接枝反應(yīng)，使偶氮苯鏈接在碳納米管壁之上，將反應(yīng)產(chǎn)物與0.2單位的石墨烯混合，加入去離子純凈水，進(jìn)行超臨界冷凍干燥，制成厚度Imm密度約50mg/cm3的彈性氣凝膠，得到的彈性氣凝膠即為太陽能燃料。
[0019]以上實(shí)施例形成的太陽能燃料，展開吸收太陽能，堆疊或卷捆起來用外部加熱、光、催化劑、通電等方式觸發(fā)或自然馳豫下使其放出所儲存的能量；釋放了能量的太陽能燃料再次展開，以吸收太陽能，達(dá)到太陽能的循環(huán)利用過程。
[0020]上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能燃料，其特征在于由碳納米管(和/或石墨烯)組成的彈性氣凝膠，在碳納米管壁上接枝有光致異構(gòu)體(如偶氮苯或含有偶氮苯基團(tuán)的化合物、二芳基乙烯類化合物、螺吡喃類化合物等)化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能燃料，其特征在于彈性氣凝膠的外形呈薄片海綿狀或絨布狀，厚度在0.2mm一20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能燃料，其特征在于彈性氣凝膠中的碳納米管壁上接枝的光致異構(gòu)體化合物，具有兩個穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，兩個分子結(jié)構(gòu)的分子能級的級差>20KJ/mol，其中分子能級低的結(jié)構(gòu)在吸收太陽光能量后將發(fā)生向高分子能級的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而儲存所吸收的太陽能；分子能級高的結(jié)構(gòu)在熱、光、電、催化劑觸發(fā)下或自然馳豫下，會放出所儲存的能量恢復(fù)到分子能級低的結(jié)構(gòu)，接枝的光致異構(gòu)體化合物在太陽能燃料中的質(zhì)量占比在10%—98% O
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能燃料，其特征在于在碳納米管壁上接枝光致異構(gòu)體化合物時，已具有彈性氣凝膠的形態(tài)，氣凝膠的有效孔隙間距在1nm —10 μ m，制成的太陽能燃料的質(zhì)量密度在1mg — 2000mg/ cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能燃料，其特征在于使用已接枝有光致異構(gòu)體化合物的碳納米管(和/或石墨烯)來制備彈性氣凝膠，制成的太陽能燃料的質(zhì)量密度在1mg—2000mg/ cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能燃料，其特征在于彈性氣凝膠中碳納米管與石墨烯的質(zhì)量比為I:0一0.5。
【文檔編號】C09K5/16GK104342089SQ201310318840
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月27日
【發(fā)明者】邢休東 申請人:邢休東