本發(fā)明涉及光熱轉(zhuǎn)換材料的清潔能源領(lǐng)域，特別是涉及一種協(xié)同提高光熱性能的金屬-炭復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、在全球范圍內(nèi)，由于家庭和工業(yè)廢水未經(jīng)處理即被排放，水質(zhì)不斷惡化，水資源短缺問題日益嚴(yán)重，海水淡化技術(shù)因此成為解決淡水需求的重要途徑。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)如反滲透(ro)和多級閃蒸(msf)方法，雖然已被廣泛應(yīng)用，但其高能耗和高成本限制了其大規(guī)模推廣的可行性。因此，開發(fā)一種更高效、低成本且可持續(xù)的海水淡化技術(shù)顯得尤為迫切。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源。在此背景下，利用各種材料的光熱性能進(jìn)行太陽能驅(qū)動的蒸發(fā)器應(yīng)運(yùn)而生。目前，具有光熱功能的材料主要包括金屬材料、有機(jī)高分子、無機(jī)半導(dǎo)體、炭基材料及二維材料如mxene等。結(jié)合已有的優(yōu)異的太陽能水蒸發(fā)器，主要具有以下特點(diǎn)：寬光譜的光吸收能力、良好的熱管理性能、適當(dāng)?shù)挠H水性及水分蒸發(fā)性能。因此，制備具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能、寬光譜范圍以高效吸收太陽能，并快速將其轉(zhuǎn)換為熱能的光熱材料，是太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2、炭材料因其寬光譜的光吸收范圍、化學(xué)穩(wěn)定性及高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)今光熱領(lǐng)域的熱門材料之一。將金屬摻入炭材料中，使得復(fù)合材料擁有分子熱運(yùn)動及等離激元共振兩種產(chǎn)熱機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)金屬與炭材料結(jié)合在光熱性能上具有協(xié)同提高效果。文獻(xiàn)“biomass-derived?photothermal?carbon?aerogel?for?efficient?solar-drivenseawater?desalination.journal?of?environmental?chemical?engineering?2023,11(2),109295”中，作者將聚多巴胺、銅納米顆粒及細(xì)菌纖維素納米纖維通過冷凍干燥及炭化處理后，制備了3d光熱碳?xì)饽z。由于碳?xì)饽z獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和cunps協(xié)同作用，材料在一個(gè)太陽光照射下，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到115.36％，水蒸發(fā)率為2.07kg/(m2·h)。文獻(xiàn)“development?of?a?general?fabrication?strategy?for?carbonaceous?noble?metalnanocomposites?with?photothermal?property”中，作者通過水熱法將貴金屬與炭材料結(jié)合合成了au@c或ag@c納米結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較好的光熱性能，同時(shí)調(diào)控碳?xì)さ暮穸瓤梢愿淖儚?fù)合材料的光熱性能。

3、本發(fā)明采用靜電紡絲法或溶液法將金屬納米顆粒與酚醛樹脂復(fù)合，制備金屬-炭纖維復(fù)合材料。通過優(yōu)化工藝，確保纖維直徑在2-5微米之間，使金屬均勻分布于酚醛樹脂中。為減少孔結(jié)構(gòu)對材料光熱性能的影響，對前驅(qū)體進(jìn)行預(yù)氧化處理，從而提高材料的整體性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬摻入有效提升了炭材料的光熱效率，其中含銅的金屬-炭復(fù)合材料在808nm激光照射下，光熱轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到65％，在一個(gè)太陽光照射下，水蒸發(fā)效率達(dá)到2.04kg/(m2·h)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種協(xié)同提高光熱性能金屬-炭復(fù)合材料的制備方法。

2、本發(fā)明所用的技術(shù)方案：一種協(xié)同提高光熱性能的金屬-炭復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

3、步驟一：將一定量的高聚物助紡劑溶于溶劑中，水浴攪拌一定時(shí)間，待溶液混合均勻降至室溫后，加入一定量的碳源及納米顆粒，室溫下攪拌得到紡絲溶液。

4、步驟二：取一定量的上述紡絲液，在一定的電壓條件下進(jìn)行紡絲，再對其進(jìn)行固化處理，得到金屬-炭復(fù)合材料的前驅(qū)體。

5、步驟三：將金屬-炭復(fù)合材料前驅(qū)體放入管式爐中，炭化處理后得到復(fù)合材料產(chǎn)物。

6、本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)

7、(1)制備過程簡單，制備周期短，所需試劑無害，溶劑為去離子水，對環(huán)境友好，采用靜電紡絲技術(shù)可將材料均勻復(fù)合，產(chǎn)物收率高。

8、(2)本發(fā)明制備的金屬-炭復(fù)合材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率。如表1所示。

9、(3)本發(fā)明制備的蒸發(fā)器件在一個(gè)太陽光照射下具有良好的水蒸發(fā)速率及蒸發(fā)效率。如圖4所示。

技術(shù)特征：

1.一種金屬-炭復(fù)合光熱材料，其特征在于，所述的材料為纖維形態(tài)，由炭包覆納米金屬復(fù)合而成；所述的纖維直徑為3～5um，所述的納米金屬顆粒為50nm。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料，其特征在于，所述的光熱材料為金屬納米顆粒摻雜的纖維結(jié)構(gòu)，所述的金屬為為al、cu、co、ni、fe、zn、ag、au和pt等。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-炭復(fù)合材料的制備，其特征在于，包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：所述助紡劑為聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中至少一種，溶劑為去離子水、無水乙醇、四氫呋喃、n,n-二甲基吡咯烷酮中至少一種，第一步中所述的透明溶液中助紡劑占比為8～15％。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：所述的水浴條件為50～100℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：所述碳源為酚醛樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氨酯，聚乙烯醇中至少一種，第一步中所述的分散液中碳源與助紡劑的占比為1:1.5～1:3。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：所述金屬包括有al、cu、co、ni、fe、zn、ag、au、pt中至少一種，第一步中所述的分散液中金屬與碳源的質(zhì)量比為1:9～1:5。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：第二步中固化處理過程中保溫溫度為100～300℃，保溫時(shí)間為2～6h。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-炭復(fù)合的光熱材料的制備方法，其特征在于：第三步中炭化處理溫度為400～1000℃，升溫速率為2～10℃/min，保溫時(shí)間為2～8h。

10.權(quán)利要求1到9任意一項(xiàng)中所得到的金屬-炭復(fù)合的光熱材料在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用，其中光熱轉(zhuǎn)換效率最好的達(dá)到30～80％，應(yīng)用于水蒸發(fā)領(lǐng)域中，蒸發(fā)效率可達(dá)到80～160％。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種協(xié)同提高光熱性能的金屬?炭復(fù)合材料的制備方法及光熱轉(zhuǎn)換性能的應(yīng)用，所述結(jié)構(gòu)為炭包覆納米金屬的纖維結(jié)構(gòu)；所述的纖維直徑約為1?20μm，所述的納米金屬顆粒為10?200nm，所述的金屬為Al、Cu、Co、Ni、Fe、Zn、Ag、Au和Pt等。其制備方法是通過靜電紡絲將金屬與碳源混合制備出纖維材料，最后經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗蟮玫健１景l(fā)明的金屬?炭復(fù)合材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的制備方法簡單、成本低廉、操作簡單、合成周期段短。

技術(shù)研發(fā)人員：李昂,申夢雪,朱萬雄,宋懷河
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京化工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/31