一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用

1.本发明属于太阳能驱动水蒸发海水淡化技术领域，具体涉及一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前淡水资源短缺，传统水净化方法，大多数依赖于高能耗和整体集中的设备和设施，因此限制了它们在实际中的应用。海水或废水直接暴露于阳光下，由于水的吸光性差，水分的蒸发仅发生在水的表面，热损失严重，据数据显示，自然光热转换效率低至30～45％，在自然蒸发过程中太阳能不能被有效地积累和利用。因此要实现高效的水蒸气产生效率，就必须依靠光热转化材料，将热量聚集在空气—水的界面。
3.研究者们开发了许多具有广泛太阳能吸收率的光热转换材料，使光热转换效率大幅度提高到90％以上，所以选择一种合适的光热转化材料来增强对光的吸收，进而提高光热转化效率是非常必要的。近年来常用的光热转化材料主要有碳材料、无机半导体、有机聚合物、导电聚合物等。目前，碳基材料由于其广泛的可用形式，超高的比表面积和良好的光吸收性能，成为理想的候选材料。过去的大量研究发现，人工合成的多级结构复合光热转化膜虽然可以在组装过程中被组合起来实现高效的蒸发，但会增加蒸发器的复杂性，影响实际应用。mxene作为一类新兴的二维纳米材料，内部光热转化效率可达100％，且在较宽波段内都有良好的光吸收。表面含有大量的亲水基团，可用于构建快速转运水的亲水通道，非常适用于制备光热转化材料。但由于其高导热系数、宽波段反射和易氧化的特点受到了很大限制。二硫化钼(mos2)作为一种典型的过渡金属二硫化物，与石墨烯和氧化石墨烯相比具有更低的导热性，更有利于形成局域热集中。气凝胶由于其多孔结构，能够为光热转换提供水运输和蒸汽逃逸通道，得到广泛关注。但它的机械强度较差、成型能力弱、耐久性差，在制备过程中会出现结块、破碎，稳定性不足，且需要海绵或者泡沫等作为载体。因此，增强其力学性能、光热转化性能及实用性是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。
5.本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：
6.本发明的目的之一是提供一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：
7.s1：以碳毡为基底，利用真空导入工艺，注入壳聚糖与交联剂的混合溶液，浸润碳毡后老化交联，随后冷冻干燥，得到改性碳毡；
8.s2：将改性碳毡重复多次浸渍mxene分散液，浸渍后干燥，然后再进行下一次浸渍，得到复合膜；
9.s3：在复合膜表面通过水热反应原位生长mos2层，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料。
10.进一步限定，s1中碳毡由废弃碳纤维制成，厚度为2-10mm。
11.进一步限定，s1中交联剂为环氧氯丙烷、戊二醛或双醛淀粉。
12.进一步限定，s1中混合溶液由壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液通过热混合获得。
13.更进一步限定，热混合温度为45-60℃。
14.更进一步限定，壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的浓度为1-2wt％，乙酸的浓度为1-10wt％。
15.更进一步限定，交联剂水溶液的浓度为0.5-1vol％。
16.更进一步限定，壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液的体积比为(2-5)：1。
17.进一步限定，s1中交联温度为45-60℃，时间为20min-15h。
18.进一步限定，s1中冷冻干燥20-50h。
19.进一步限定，s2中mxene分散液的浓度为1-6mol/l，单次浸渍时间为5-30min，浸渍和干燥过程重复1-10次。
20.进一步限定，s3中生长mos2层的钼源与硫源的摩尔比为1：(2-4)。
21.更进一步限定，钼源为钼酸铵，硫源为硫脲。
22.进一步限定，s3中水热反应温度为200-240℃，时间为18-30h。
23.本发明的目的之二在于提供一种按上述方法制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。
24.本发明的目的之三在于提供一种界面蒸发装置，所述界面蒸发装置包含上述碳纤维基太阳能光热高效转化材料。
25.本发明的目的之四在于提供一种界面蒸发装置在海水蒸发淡化领域的应用。
26.本发明与现有技术相比具有的显著效果：
27.(1)本发明选用废弃的碳纤维材料，经过加工处理制备成碳纤维毡，在增强光热转化材料力学性能的同时解决碳纤维的回收再利用问题。同时，采用低密度、低表面能的碳材料作为骨架结构，能够为材料整体提供浮力，同时它的轻重量、高强度、高模量能够提升材料整体的力学性能。
28.(2)本发明以碳纤维毡为基底来进行热交联，既能保持原有的碳骨架结构，构建粗糙表面及内部多孔结构网络，又能增大复合膜的强度和韧性，增强材料的力学性能。同时碳纤维与壳聚糖形成相互促进，相互贯通的气体通道，有助于光捕获、热管理和水输送，提高水蒸气蒸发量。
29.(3)本发明的方法，在mxene与mos2之间形成强界面相互作用，将热量聚集在空气-水界面，实现对太阳光的高效吸收，持续进行海水蒸发，通过冷凝等作用将水蒸气收集，从而达到淡化的目的。此外，mxene表面含有大量的亲水基团，可用于构建快速转运水的亲水通道，同时，粗糙多孔的表面可以减少太阳光的反射，丰富的孔隙能显著增加蒸发面积，强吸光性能及高光热转化效率能增强材料对太阳光的吸收。
30.(4)本发明的太阳能光热高效转化材料可放置在界面蒸发装置内，无需任何浮动辅助设备，在表面辐照产生蒸汽，净化水的操作简单易行，不会对环境造成污染，光热转换效果良好，能持续应用于海水蒸发，在海水淡化方向具有广阔的应用前景。
附图说明
31.图1为本发明实施例1中改性碳毡形貌的sem图；
32.图2为本发明实施例1中复合膜形貌的sem图；
33.图3为本发明实施例1制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料形貌的sem图；
34.图4为本发明实施例1制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料应用于光热转换时，在近红外光照射下的升温曲线图；
35.图5为本发明实施例1制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料应用于光热转换时，在一倍太阳光照射下的光热转化效率图；
36.图6为本发明实施例1的有无碳纤维作为基底的应力应变曲线图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
38.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
39.下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
40.当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。在本技术说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
41.本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。
42.本发明所述“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
43.在发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
44.实施例1
45.本实施例的兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法按以下步骤进行：
46.(1)制备碳毡：
47.采用高速针刺机辊针将切碎的废弃碳纤维制成碳毡，控制规格，将其裁为大小为10cm
×
10cm，厚度为2mm的碳毡片。再将其置于去离子水中浸泡10min，去除表面杂质，得到碳毡，简称cf。
48.(2)制备壳聚糖与戊二醛的混合溶液：
49.首先，将1.5g的壳聚糖粉末溶于100ml质量浓度为1％的乙酸溶液中，在50℃的油浴锅中，磁力搅拌10min，得到壳聚糖乙酸溶液。
50.然后，将1ml的戊二醛溶于100ml的热水(60℃)中，得到戊二醛水溶液。
51.接着，将壳聚糖乙酸溶液和戊二醛水溶液按5：1的体积比，在温度为45℃、搅拌速度为500rpm条件下混合20min，得到壳聚糖与戊二醛的混合溶液。
52.(3)制备改性碳毡：
53.在模具上铺设步骤(1)制备的碳毡作为基底，抽真空后将壳聚糖与戊二醛的混合溶液通过软管引流到碳毡中，在真空下流经整块碳纤维毡，完全浸润后，在45℃下老化交联10h后，随后在零下15℃下预冷冻24h，再置于冷冻干燥机中，冷冻干燥30h，得到改性碳毡，简称cf+cs。改性碳毡形貌的扫描电子显微镜图如图1所示，从图1中可以看出，壳聚糖牢牢包覆在碳纤维表面，且与碳纤维形成了相互贯穿的孔道结构。这些孔道为入射光提供多级漫反射，且具有优异力学性能的碳纤维可以改善材料的力学性能。
54.(4)制备复合膜：
55.首先，在室温下，用1.8g氟化锂和9mol
·
l-1
氢氟酸蚀刻1gmax，制备ti3c2tx，然后通过清洗、dmso插层、去除dmso、超声洗涤，离心1h，收集上清液，制得6mol
·
l-1
的mxene，稀释至3mol
·
l-1
后备用。
56.然后，将步骤(3)得到改性碳毡浸泡在3mol
·
l-1
的mxene分散液中5min，在35℃下进行真空干燥处理，浸渍和干燥过程重复三次，至mxene厚度为30nm，得到复合膜，简称cf+cs+mxene。复合膜形貌的扫描电子显微镜图如图2所示，从图2中可以看出，具有优异光热效应的mxene纳米片沉积在碳纤维表面。
57.(5)水热法镀mos2层
58.将钼酸铵和硫脲以1：2的摩尔比在室温下搅拌均匀，然后将复合膜烘干后置于水热合成反应釜中，在200℃下水热反应20h，待水热反应釜的表面温度降至室温时，取出，放入60℃鼓风干燥箱中进行干燥，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料，简称cf+cs+mxene+mos2。本实施例的碳纤维基太阳能光热高效转化材料形貌的扫描电子显微镜图如图3所示，从图3中可以看出，二硫化钼纳米片原位生长在碳纤维表面，碳纤维表面粗糙度发生了明显的变化。这些纳米片的存在使得光在体系内充分吸收并形成多级反射，同时有助于减少热量散失。
59.将实施例1中各步骤制得的材料进行光热转化模拟实验，在100ml烧杯中装满纯水，将本实施例的碳纤维基太阳能光热高效转化材料置于液面上，把整个装置放置在电子天平上，盖上玻璃罩，在黑暗环境中每1h记录一次质量，测其自然蒸发率为0.021％。
60.图4为本发明实施例1制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料应用于光热转换
时，在近红外光照射下的升温曲线图，从图4可以看出经过mxene及二硫化钼改性的改性碳毡其热响应最佳，吸光产热效果最为明显。
61.用模拟太阳光的氙灯，在一倍太阳光照射下照射1h，控制液面到光探头距离为15cm，每隔10min记录一次质量，用红外热成像仪记录温度变化，结果如图5所示，计算得到光热转换效率为89.3％。
62.对比例1
63.本对比例与实施例1的区别之处在于：不含碳毡，即省略步骤(1)，直接获得不含碳毡(cf)的壳聚糖气凝胶(cs)。
64.将对比例1得到的cs与实施例1步骤(3)得到的cf+cs进行拉伸试验，结果如图6所示，从图6中数据可以看出，未经过碳纤维改性的壳聚糖气凝胶其拉伸性能较差，而经过碳纤维改性的壳聚糖气凝胶具有非常优异的力学性能。
65.实施例2
66.本实施例的兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法按以下步骤进行：
67.(1)制备碳毡：
68.采用高速针刺机辊针将切碎的废弃碳纤维制成碳毡，控制规格，将其裁为大小为10cm
×
10cm，厚度为2mm的碳毡片。再将其置于去离子水中浸泡10min，去除表面杂质，得到碳毡。
69.(2)制备壳聚糖与戊二醛的混合溶液：
70.首先，将1g的壳聚糖粉末溶于100ml质量浓度为1％的乙酸溶液中，在55℃的油浴锅中，磁力搅拌10min，得到壳聚糖乙酸溶液。
71.然后，将1ml的戊二醛溶于100ml的热水(60℃)中，得到戊二醛水溶液。
72.接着，将壳聚糖乙酸溶液和戊二醛水溶液按3:1的体积比在温度为45℃、搅拌速度为500rpm条件下混合20min，得到壳聚糖与戊二醛的混合溶液。
73.(3)制备改性碳毡：
74.在模具上铺设步骤(1)制备的碳毡作为基底，抽真空后将壳聚糖与戊二醛的混合溶液通过软管引流到碳毡中，在真空下流经整块碳纤维毡，完全浸润后，在45℃下老化交联10h后，随后在零下15℃下预冷冻24h，再置于冷冻干燥机中，冷冻干燥40h，得到改性碳毡。
75.(4)制备复合膜：
76.首先，在室温下，用1.8g氟化锂和9mol
·
l-1
氢氟酸蚀刻1gmax，制备ti3c2tx，然后通过清洗、dmso插层、去除dmso、超声洗涤，离心1h，收集上清液，制得6mol
·
l-1
的mxene，稀释至4mol
·
l-1
后备用。
77.然后，将步骤(3)得到改性碳毡浸泡在4mol
·
l-1
的mxene分散液中5min，在35℃下进行真空干燥处理，浸渍和干燥过程重复四次，至mxene厚度为50nm，得到复合膜。
78.(5)水热法镀mos2层
79.将钼酸铵和硫脲以1：4的摩尔比在室温下搅拌均匀，然后将复合膜烘干后置于水热合成反应釜中，在200℃下水热反应18h，待水热反应釜的表面温度降至室温时，取出，放入60℃鼓风干燥箱中进行干燥，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料。
80.实施例3
81.本实施例的兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法按以下步骤进行：
82.(1)制备碳毡：
83.采用高速针刺机辊针将切碎的废弃碳纤维制成碳毡，控制规格，将其裁为大小为10cm
×
10cm，厚度为2mm的碳毡片。再将其置于去离子水中浸泡10min，去除表面杂质，得到碳毡。
84.(2)制备壳聚糖与戊二醛的混合溶液：
85.首先，将1.5g的壳聚糖粉末溶于100ml质量浓度为1％的乙酸溶液中，在60℃的油浴锅中，磁力搅拌10min，得到壳聚糖乙酸溶液。
86.然后，将3g双醛淀粉溶于400ml的热水(50℃)中，得到双醛淀粉水溶液。
87.接着，将壳聚糖乙酸溶液和双醛淀粉水溶液按5:1的体积比在温度为45℃、搅拌速度为500rpm条件下混合20min，得到壳聚糖与戊二醛的混合溶液。
88.(3)制备改性碳毡：
89.在模具上铺设步骤(1)制备的碳毡作为基底，抽真空后将壳聚糖与戊二醛的混合溶液通过软管引流到碳毡中，在真空下流经整块碳纤维毡，完全浸润后，在45℃下老化交联10h后，随后在零下15℃下预冷冻24h，再置于冷冻干燥机中，冷冻干燥48h，得到改性碳毡。
90.(4)制备复合膜：
91.首先，在室温下，用1.8g氟化锂和9mol
·
l-1
氢氟酸蚀刻1gmax，制备ti3c2tx，然后通过清洗、dmso插层、去除dmso、超声洗涤，离心1h，收集上清液，制得6mol
·
l-1
的mxene，稀释至3mol
·
l-1
后备用。
92.然后，将步骤(3)得到改性碳毡浸泡在3mol
·
l-1
的mxene分散液中5min，在35℃下进行真空干燥处理，浸渍和干燥过程重复五次，至mxene厚度为70nm，得到复合膜。
93.(5)水热法镀mos2层
94.将钼酸铵和硫脲以1：3的摩尔比在室温下搅拌均匀，然后将复合膜烘干后置于水热合成反应釜中，在200℃下水热反应18h，待水热反应釜的表面温度降至室温时，取出，放入60℃鼓风干燥箱中进行干燥，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料。
95.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：s1：以碳毡为基底，利用真空导入工艺，注入壳聚糖与交联剂的混合溶液，浸润碳毡后老化交联，随后冷冻干燥，得到改性碳毡；s2：将改性碳毡重复多次浸渍mxene分散液，浸渍后干燥，然后再进行下一次浸渍，得到复合膜；s3：在复合膜表面通过水热反应原位生长mos2层，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中碳毡由废弃碳纤维制成，厚度为2-10mm，交联剂为环氧氯丙烷、戊二醛或双醛淀粉。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中混合溶液由壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液通过热混合获得，壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的浓度为1-2wt％，乙酸的浓度为1-10wt％，交联剂水溶液的浓度为0.5-1vol％，壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液的体积比为(2-5)：1。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中交联温度为45-60℃，时间为20min-15h，冷冻干燥20-50h。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中mxene分散液的浓度为1-6mol/l，单次浸渍时间为5-30min，浸渍和干燥过程重复1-10次。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中生长mos2层的钼源与硫源的摩尔比为1：(2-4)，水热反应温度为200-240℃，时间为18-30h。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，钼源为钼酸铵，硫源为硫脲。8.权利要求1-7任一项所述的方法制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。9.一种界面蒸发装置，其特征在于，它包含权利要求8所述的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。10.权利要求9所述的界面蒸发装置在海水蒸发淡化领域的应用。

技术总结
一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。本发明属于太阳能驱动水蒸发海水淡化技术领域。本发明为了解决现有太阳能光热高效转化材料无法兼顾力学性能和高效光热转化性能的技术问题。本发明选用废弃的碳纤维制备碳毡，以碳毡为基底进行热交联，既保持了碳骨架结构，构建粗糙表面及内部多孔结构网络，又能增大复合膜的强度和韧性。同时碳纤维与壳聚糖形成相互促进，相互贯通的气体通道，有助于光捕获、热管理和水输送。此外，在MXene与MoS2之间形成强界面相互作用，将热量聚集在空气-水界面，实现对太阳光的高效吸收，持续进行海水蒸发，通过冷凝等作用将水蒸气收集，从而达到淡化的目的。从而达到淡化的目的。从而达到淡化的目的。


技术研发人员：金琳 张琳 敖玉辉 王艳 郭宗伟 王钊 尚垒 陈小沛
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/20