一种光热转换材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及光热转换材料技术领域，尤其涉及一种光热转换材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.经济和社会的高速发展以及严重的能源消耗和短缺使可替代新能源的研究成了人们不断挑战的课题。目前，太阳能光热转化应用已经非常广泛。与光电、光催化等领域相比太阳能光热应用是利用太阳能最有效的方法。应用绿色可持续太阳能开发高效、大规模的海水淡化和废水处理技术具有重要意义。现有的很多海水淡化技术，如低温多效应蒸馏（med）和反渗透（ro）等都是以巨大的投资成本和高能耗实现的，这对于偏远地区是不可行的。因此，解决水净化和能源消耗之间的矛盾成为可持续生产淡水的一个关键问题。
3.近年来，人们开发了一种高效的太阳驱动界面蒸发（sdie）系统，它与普通的体积蒸发策略截然不同，太阳能吸收器位于水-空气界面上，与水体由路径相连，吸收器与散装水进行热隔离，这样热量就被限制在蒸发界面，在那里只有一小部分体积的水被加热，而下面的整体水温基本保持不变，接近环境温度。因此抑制了大部分不必要的散热，大大提高光吸收器的温度，蒸发效率可以提高到90%以上。然而，现有的 sdie 系统在净化海水方面仍然存在一些问题，主要是光热转换材料对海水的淡化效率仍比较低。因此，急需设计一种用于海水淡化的高效光热转换材料。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光热转换材料及其制备方法与应用，旨在解决现有光热转换材料对海水的淡化效率仍较低的问题。
5.本发明的技术方案如下：本发明的第一方面，提供一种光热转换材料的制备方法，其中，包括步骤：提供织物基底；将所述织物基底浸泡在碱性金属氢氧化物溶液中预设时间，得到碱处理后的织物基底；将所述碱处理后的织物基底浸泡在银盐溶液中，然后加入还原剂进行还原反应，得到负载有银纳米颗粒的织物基底；将所述负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，然后加入氧化聚合剂发生氧化聚合反应后，在所述负载有银纳米颗粒的织物基底上形成聚吡咯，得到所述光热转换材料。
6.可选地，所述碱性金属氢氧化物溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钡溶液中的至少一种。
7.可选地，所述银盐溶液包括银氨溶液。
8.可选地，所述还原剂包括葡萄糖、甲醛、乙醛中的至少一种。
9.可选地，所述酸性溶液包括盐酸。
10.可选地，所述氧化聚合剂包括三价铁盐、过硫酸铵中的至少一种。
11.可选地，所述织物基底包括棉织物、无纺布中的至少一种。
12.本发明的第二方面，提供一种光热转换材料，其中，采用如本发明如上所述的制备方法制备得到。
13.本发明的第三方面，提供一种本发明如上所述的光热转换材料在太阳能海水淡化中的应用。
14.本发明的第四方面，提供一种蒸发器，其中，包括本发明如上所述的光热转换材料。
15.有益效果：本发明中先用碱性金属氢氧化物溶液处理织物基底，以使得所述织物基底能够更好地吸附ag
+
，通过加入还原剂将ag
+
还原为银纳米颗粒；然后将负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，加入氧化聚合剂使得吡咯单体氧化聚合为聚吡咯，制备得到所述光热转换材料。本发明实施例提供的光热转换材料具有良好的亲水性、光热转换能力和抗菌效果，具有较高的海水淡化效率，且不产生盐结晶。具体地，所述光热转换材料中银纳米颗粒具有太阳能光热效应，与聚吡咯协同增强太阳光的吸收与热转换，提升光热转换材料的光热转换能力，使得所述光热转换材料具有较高的海水淡化效果；同时银纳米颗粒具有抗菌效果，进而使得所述光热转换材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抗菌效果。
附图说明
16.图1为本发明实施例中光热转换材料的制备流程图。
17.图2为本发明实施例中光热转换材料的制备示意图。
18.图3为本发明实施例1中cf-ag-ppy、对比例1中cf、对比例2中cf-ag的动态水接触角测试结果图。
19.图4为本发明实施例1中cf-ag-ppy、对比例1中cf、对比例2中cf-ag的紫外可见近红外吸收光谱图。
20.图5为本发明实施例1中cf-ag-ppy、对比例1中cf、对比例2中cf-ag、对比例3中cf-ppy在太阳光照射下温度随光照时间变化结果图。
21.图6a为本发明实施例1中cf-ag-ppy、对比例1中cf、对比例2中cf-ag、对比例3中cf-ppy的实物图，图6b为图6a中对应的本发明实施例1中cf-ag-ppy、对比例1中cf、对比例2中cf-ag、对比例3中cf-ppy的红外热成像图。
22.图7为本发明实施例1中吊桥式悬浮蒸发器的结构示意图，其中（a）为正视图，（b）为俯视图。
23.图8为采用不同光热转换材料的蒸发器的蒸发速率结果图。
24.图9为不同cf-ag-ppy暴露于太阳光下的总面积与cf-ag-ppy在太阳光照射方向的投影面积之比的蒸发器的蒸发速率结果图。
25.图10为采用cf-ag-ppy的蒸发器对3.5 wt.%模拟海水脱盐后的离子浓度结果图。
26.图11为采用cf-ag-ppy的蒸发器进行模拟海水蒸发时，长期稳定性测试结果图。
27.图12为采用cf-ag-ppy的蒸发器进行模拟海水蒸发时，表面盐结晶情况图。
具体实施方式
28.本发明提供一种光热转换材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
30.本发明实施例提供一种光热转换材料的制备方法，其中，如图1所示，包括步骤：s1、提供织物基底；s2、将所述织物基底浸泡在碱性金属氢氧化物溶液中预设时间，得到碱处理后的织物基底；s3、将所述碱处理后的织物基底浸泡在银盐溶液中，然后加入还原剂进行还原反应，得到负载有银纳米颗粒的织物基底；s4、将所述负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，然后加入氧化聚合剂发生氧化聚合反应后，在所述负载有银纳米颗粒的织物基底上形成聚吡咯，得到所述光热转换材料。
31.如图2所示，本发明中先用碱性金属氢氧化物溶液处理织物基底，以使得所述织物基底能够更好地吸附ag
+
，通过加入还原剂将ag
+
还原为银纳米颗粒；然后将负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，负载有银纳米颗粒的织物基底吸附吡咯单体，加入氧化聚合剂后使得吡咯单体氧化聚合为聚吡咯，制备得到所述光热转换材料。本发明实施例提供的光热转换材料具有良好的亲水性、光热转换能力和抗菌效果，具有较高的海水淡化效率，且不产生盐结晶。具体地，所述光热转换材料中银纳米颗粒具有太阳能光热效应，与聚吡咯（具有太阳能光热效应）协同增强太阳光的吸收与热转换，提升光热转换材料的光热转换能力，使得所述光热转换材料具有较高的海水淡化效果；同时银纳米颗粒具有抗菌效果，进而使得所述光热转换材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抗菌效果。
32.步骤s1中，在一些实施方式中，所述织物基底棉织物、无纺布中的至少一种，但不限于此。在一些具体的实施方式中，所述棉织物为棉布。
33.步骤s2中，在一些实施方式中，所述碱性金属氢氧化物溶液包括但不限于氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钡溶液中的至少一种。如图2所示，织物基底（如棉织物等）表面存在大量的-oh，利用碱性金属氢氧化物溶液（如氢氧化钠溶液）与-oh反应，得到-o-，使得织物基底在后续反应过程中能够吸附银离子，进行有利于银纳米颗粒在织物基底上的沉积。
34.步骤s3中，在一些实施方式中，所述银盐溶液包括但不限于银氨溶液。
35.在一些实施方式，所述还原剂包括但不限于葡萄糖、甲醛、乙醛中的至少一种。
36.当所述银盐溶液为银氨溶液，所述还原剂为葡萄糖时，将所述碱处理后的织物基底浸泡在银氨溶液中，然后加入葡萄糖进行银镜反应，将织物基底表面的银离子还原为银纳米颗粒，得到负载有银纳米颗粒的织物基底。
37.步骤s4中，在酸性溶液中，将吡咯氧化聚合为聚吡咯，聚吡咯原位形成在负载有银
纳米颗粒的织物基底上。
38.在一些实施方式中，所述酸性溶液包括但不限于盐酸。
39.在一些实施方式中，所述氧化聚合剂包括但不限于三价铁盐（如三氯化铁、硝酸铁等）、过硫酸铵中的至少一种。
40.在一些实施方式中，所述光热转换材料中，所述单位体积（每mm3）的织物基底含有银纳米颗粒的质量、聚吡咯的质量，可根据实际需要进行设置。作为举例，每mm3的织物基底含有银纳米颗粒的质量、聚吡咯的质量分别为0.0113mg、0.0155mg。
41.本发明实施例还提供一种光热转换材料，其中，采用本发明如上所述的制备方法制备得到。所述光热转换材料为同时负载有银纳米颗粒和聚吡咯的织物基底，银纳米颗粒和聚吡咯负载在织物基底的表面和内部缝隙。本发明实施例提供的光热转换材料具有良好的亲水性、光热转换能力和抗菌效果。
42.本发明实施例还提供一种本发明如上所述的光热转换材料在太阳能海水淡化中的应用。所述光热转换材料具有良好的亲水性和优异的光热转换能力，非常适用于太阳能海水淡化，具有较高的海水淡化效率。
43.本发明实施例还提供一种蒸发器，其中，包括本发明实施例如上所述的光热转换材料，所述蒸发器能够实现高效太阳能海水淡化，并且蒸发器由于银纳米颗粒的存在，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抗菌效果。
44.在一些具体的实施例中，所述蒸发器为吊桥式悬浮蒸发器，这种吊桥式悬浮蒸发器中光热转换材料暴露于太阳光下的总面积大于光热转换材料在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积时，相比于光热转换材料暴露于太阳光下的总面积等于光热转换材料在垂直方向的投影面积，对水的蒸发速率高，充分利用了光热转换材料。所述吊桥式悬浮蒸发器能够实现高效太阳能海水淡化，水的蒸发速率可达1.55kg
·
m-2
·
h-1
，且具有良好的热管理能力。
45.现有技术中由于连续 sdie 期间的供水不足，会产生大量的沉积盐，导致严重的盐污染，沉积盐会逐渐阻断光吸收、水输送和蒸汽逃逸的途径，最终降低蒸发速率和长期稳定性。而本发明提供的吊桥式悬浮蒸发器具有长期稳定性，且能够在高浓度海水中有效抑制盐结晶。
46.下面通过具体的实施例进行详细说明。
47.以下实施例中的溶液如无特殊说明，均指水溶液。
48.实施例1
49.将150mm
×
50mm
×
1mm棉布浸泡在乙醇中，超声清洗30min后取出，放入干燥箱中进行干燥，将干燥后的棉织物浸泡于200mlnaoh水溶液（naoh质量含量为10%）中30min后，用大量去离子水冲洗，然后放入烘箱干燥，得到碱处理后的棉布，记作cf-naoh。
50.将cf-naoh浸泡于250ml 0.1m的银氨溶液中1 h后取出烘干，得到表面吸附有银离子的棉布，记作cf-ag
+
；将cf-ag
+
放入250ml 0.01m葡萄糖（c6h
12
o6）溶液中， 60℃加热搅拌40min后，得到负载有银纳米颗粒的棉布，记作cf-ag。
51.在0℃冰浴下，将60μl吡咯（py）加入到90ml 1m 的盐酸中，搅拌均匀后，将cf-ag浸泡于其中，然后逐滴滴入20ml 1g/l 的fecl3溶液，2h后将棉布取出，用去离子水清洗，放置
于环境中自然烘干，在cf-ag上形成聚吡咯，得到光热转换材料，记作cf-ag-ppy。
52.对比例1以与实施例1中相同的棉布作为光热转换材料，记作cf。
53.对比例2以与实施例1中相同的cf-ag作为光热转换材料。
54.对比例3在0℃冰浴下，将60μl吡咯（py）加入到90ml 1m 的盐酸中，搅拌均匀后，将cf（采用与实施例1相同的cf）浸泡于其中，然后逐滴滴入20ml 1g/l 的fecl3溶液，2h后将棉布取出，用去离子水清洗，放置于环境中自然烘干，在cf上形成聚吡咯，得到光热转换材料记作cf-ppy。
55.测试：（1）对实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-2中的cf和cf-ag进行动态水接触角测试，结果如图3所示，可见水可在cf-ag-ppy表面完全铺展，cf-ag-ppy具有良好的亲水性。
56.（2）对实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-2中的cf和cf-ag进行紫外可见近红外光吸收率测试，光吸收率的计算公式，其中r代表光反射率，t代表光透过率，结果如图4所示，可见，在整个紫外可见近红外光区，cf-ag-ppy的吸收率都达到90%（最高可达95%），远高于cf和cf-ag 。
57.（3）对实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-3中的cf、cf-ag和cf-ppy测试在1个太阳光照（光强为1kw/m2）下的温度变化情况，其温度随光照时间变化曲线如图5所示，可见，随着光照的进行cf的温度上升到40℃左右后基本保持不变；随着光照的进行cf-ag的温度上升到60℃左右后基本保持不变；随着光照的进行cf-ppy的温度上升到62℃左右后基本保持不变；而随着光照的进行cf-ag-ppy的温度可上升到72℃左右后基本保持不变。说明cf-ag-ppy相比cf、cf-ag和cf-ppy具有更加优异的光热转换效果，cf-ag-ppy中银纳米颗粒和聚吡咯协同增强cf-ag-ppy的光热转换能力。
58.对如图6a所示的实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-3中的cf、cf-ag和cf-ppy在1个太阳光（光强为1kw/m2）下照射15min，红外热成像结果如图6b所示，可见右下角的cf-ag-ppy具有最高的温度。
59.（4）将实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-3中的cf、cf-ag和cf-ppy制作成如图7中（a）和（b）所示的吊桥式悬浮蒸发器，用以蒸发两个玻璃缸中的水。其中，cf-ag-ppy、cf、cf-ag和cf-ppy暴露在太阳光下的总面积与各自在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积之比为1:1，以cf-ag-ppy为例进行说明，即cf-ag-ppy暴露于太阳光下的实际面积与cf-ag-ppy在太阳光照射方向的投影面积之比为1:1），以氙灯模拟太阳光照，光强为1kw/m2（1个太阳光），对水进行太阳能蒸发。具体地，如图7所示，两侧玻璃缸中的水经光热转换材料传输到中间吊桥式结构部分，通过太阳光照射中间吊桥式结构部分的光热转换材料使其升温，进而实现中间吊桥式结构部分的光热转换材料中水被加热而蒸发。
60.蒸发速率由公式（δm (kg) 代表蒸发系统的质量变化，t（h）代表蒸发时间，s(m2) 为蒸发器的有效蒸发面积）得出。
61.蒸发速率结果如图8所示,采用cf的蒸发器对水的蒸发速率为0.71 kg
·
m-2
·
h-1
，
而采用cf-ppy、cf-ag的蒸发器对水的蒸发速率比采用cf的蒸发器有所提高，采用cf-ag-ppy的蒸发器对水的蒸发速率可达到1.2 kg
·
m-2
·
h-1
。
62.制作三种采用cf-ag-ppy的蒸发器，其中cf-ag-ppy暴露在太阳光下的总面积与cf-ag-ppy在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积之比分别为1:1、3:2、2:1，分别测定三种采用cf-ag-ppy的蒸发器对水的蒸发速率，结果如图9所示，当cf-ag-ppy暴露在太阳光下的总面积与cf-ag-ppy在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积之比为2:1时，采用cf-ag-ppy的蒸发器对水的蒸发速率可达到1.55 kg
·
m-2
·
h-1
。
63.（7）将实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-3中的cf、cf-ag和cf-ppy制作成如图7所示吊桥式悬浮蒸发器，cf-ag-ppy、cf、cf-ag和cf-ppy暴露在太阳光下的总面积与各自在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积之比例为2:1，以氙灯模拟太阳光照，光强为1kw/m2（1个太阳光），对3.5wt.%模拟海水进行太阳能蒸发。模拟海水中na
+
的浓度为11000mg/l，mg
2+
的浓度为1500mg/l，ca
2+
的浓度为800mg/l，k
+
的浓度为500mg/l，蒸发后经冷凝得到的蒸馏水的各离子浓度如图10所示。可以看到，蒸发冷凝后得到的蒸馏水中各离子浓度较模拟海水都成指数级下降，证明蒸发器的脱盐性能优异。
64.（8）蒸发器在3.5wt.%模拟海水中的长期运行稳定性和表面盐结晶情况的测试将实施例1中的cf-ag-ppy及对比例1-3中的cf、cf-ag和cf-ppy制作成如图7所示吊桥式悬浮蒸发器，cf-ag-ppy、cf、cf-ag和cf-ppy暴露在太阳光下的总面积与各自在太阳光照射方向（垂直方向）的投影面积之比例为2:1，以氙灯模拟太阳光照，光强为1kw/m2（1个太阳光），对3.5wt.%模拟海水进行太阳能蒸发测试，进行6个循环，每天为一个循环，每天8小时，每小时测一次蒸发速率，结果如图11和12所示，可见蒸发器在长期运行中具有稳定性，且在长期运行中蒸发器表面并没有盐结晶产生，证明蒸发器能够有效抑制盐结晶。
65.综上所述，本发明提供一种光热转换材料及其制备方法与应用，本发明中先用碱性金属氢氧化物溶液处理织物基底，以使得所述织物基底能够更好地吸附ag
+
，通过加入还原剂将ag
+
还原为银纳米颗粒；然后将负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，加入氧化聚合剂使得吡咯单体氧化聚合为聚吡咯，制备得到所述光热转换材料。本发明实施例提供的光热转换材料具有良好的亲水性、光热转换能力和抗菌效果，具有较高的海水淡化效率，能够有效抑制盐结晶。具体地，所述光热转换材料中银纳米颗粒具有太阳能光热效应，与聚吡咯协同增强太阳光的吸收与热转换，提升光热转换材料的光热转换能力，使得所述光热转换材料具有较高的海水淡化效果；同时银纳米颗粒具有抗菌效果，进而使得所述光热转换材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抗菌效果。应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种光热转换材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：提供织物基底；将所述织物基底浸泡在碱性金属氢氧化物溶液中预设时间，得到碱处理后的织物基底；将所述碱处理后的织物基底浸泡在银盐溶液中，然后加入还原剂进行还原反应，得到负载有银纳米颗粒的织物基底；将所述负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，然后加入氧化聚合剂发生氧化聚合反应后，在所述负载有银纳米颗粒的织物基底上形成聚吡咯，得到所述光热转换材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性金属氢氧化物溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钡溶液中的至少一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述银盐溶液包括银氨溶液。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂包括葡萄糖、甲醛、乙醛中的至少一种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液包括盐酸。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化聚合剂包括三价铁盐、过硫酸铵中的至少一种。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述织物基底包括棉织物、无纺布中的至少一种。8.一种光热转换材料，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。9.一种如权利要求8所述的光热转换材料在太阳能海水淡化中的应用。10.一种蒸发器，其特征在于，包括权利要求8所述的光热转换材料。

技术总结
本发明公开一种光热转换材料及其制备方法与应用，制备方法包括步骤：将织物基底浸泡在碱性金属氢氧化物溶液中预设时间，得到碱处理后的织物基底；将碱处理后的织物基底浸泡在银盐溶液中，加入还原剂进行还原反应，将得到的负载有银纳米颗粒的织物基底浸泡在含有吡咯的酸性溶液中，然后加入氧化聚合剂发生氧化聚合反应后，在所述负载有银纳米颗粒的织物基底上形成聚吡咯，得到所述光热转换材料。所述光热转换材料中银纳米颗粒具有太阳能光热效应，与聚吡咯协同增强太阳光的吸收与热转换，提升光热转换材料的光热转换能力；同时银纳米颗粒具有抗菌效果，进而使得所述光热转换材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抗菌效果。效果。效果。


技术研发人员：刘长坤 肖紫微
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/8/21