CN114380349A - 一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法 - Google Patents

一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种S形MoS2‑Ti网光‑电‑热海水淡化膜的制备方法，所述海水淡化膜以钛网或钛合金网作为基底，再与光吸收材料结合，最后进行结构裁切，制成海水淡化膜，具体包括以下步骤：基底预处理：将基底进行清洗，然后进行刻蚀处理；将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到光热膜；再将所述光热膜进行结构裁切，制成海水淡化膜。本申请所述的海水淡化膜表面通过水热合成的方式负载了硫化钼纳米花，其中Ti网或Ti合金网作为基底材料，MoS2作为光吸收材料；并且通过将MoS2‑Ti网裁剪成S形结构，使其能够更有利于产生焦耳热效应，实现光‑电‑热海水淡化。

Description

一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法
技术领域
本申请涉及光热转换材料，特别涉及一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法。
背景技术
随着人类生活水平的不断提高，河流湖泊的污染、世界净水的缺乏等问题逐年显现出来；太阳能驱动的水蒸发是解决上述水环境问题的一种绿色新型有效的方法；开发无毒、无污染、可持续的有效解决策略至关重要。近年来，研究者们发展了多种新型光热转换材料，其可以高效地将光能转换为热能，从而解决能源与生物医学等问题；光热转换材料通常具有较高的光热转化效率、原料廉价易得及制备方法简单等优点。然而目前所开发的光热材料仍存在诸多缺点，如光热稳定性差、光学吸收范围窄及生物毒性大，用于太阳能驱动水蒸发的光热膜具有制备复杂、成本高及产率低等缺点；因此，开发具有优异的光热稳定性、较宽的光谱吸收及良好生物安全性的光热转换材料迫在眉睫。
此外，为了更好地提高整个体系的水蒸发性能，除了优化材料的光吸收性能，减少器件的热损失效能之外，还有通过引入额外的能量源以此来提高整体的蒸发速率。风能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，其在减少二氧化碳排放，舒缓气候变化等拥有着不俗的表现，但由于风能在自然界的存在并不稳定，很大程度上依赖于地理位置和气候条件，这些都是限制风能在光热水蒸发领域应用的重要因素；而电能尽管其并不能像风能那样取之不尽用之不竭，但由于其能够稳定的输出并且不收地理条件等限制，综合考虑电能是作为第二能量源的首选；电-热***产生的热量(Q)与电阻(R)和电流的平方(I2)成正比(Q＝I2R)，但是钛以及钛合金网是良导体，本身内部电阻很小，未经裁切的大块钛和钛合金网内部电阻太小而无法满足电-热***的高发热量要求。根据R＝ρL/S(ρ为比例系数，由导体的材料和周围温度所决定，称为电阻率；L为导体长度，S为导体横截面积)，通过延长导体长度(L)和减小导体横截面积(S)可以显著提高导体内阻(R)。因此将金属网裁剪成S形或I型等特定形状才能满足电热***的工作要求。
发明内容
鉴以此，本申请提出一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，旨在将光吸收材料MoS2与稳定的Ti网或Ti合金网基底进行复合，以形成性能优异的MoS2-Ti网膜，并通过对MoS2-Ti网的二次结构设计使其在最大程度地保证原有完整度下，拥有比初始MoS2-Ti网更大的内部电阻，为后续的光-电-热蒸发提供更大的蒸发性能。
本申请的技术方案是这样实现的：
一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)基底预处理：将基底进行清洗，然后进行刻蚀处理；
(2)将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；
(3)将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到光热膜；
(4)再将所述光热膜进行结构裁切，制成海水淡化膜。
进一步的技术方案是，所述钛合金为钛和过渡金属、非金属中的一种或多种元素组成的。
再进一步的技术方案是，所述过渡金属包括钒、钼、铌、铬、铁、铜、钴、镍、锆、锌、镉、锰、钯、铑中的一种或多种元素。
再进一步的技术方案是，所述非金属包括碳、氮、氧中的一种或多种元素。
进一步的技术方案是，所述钛合金中钛的质量分数为2％-99％。
进一步的技术方案是，所述基底为钛网、钛合金网或不锈钢网中的一种。
进一步的技术方案是，所述刻蚀处理具体为：将清洗后的基底放入质量分数为5％-15％的草酸溶液中，并在沸腾的状态下刻蚀35-45min,刻蚀过后的基底用去离子水冲洗过后烘干。
进一步的技术方案是，所述步骤(2)中将硫脲、四水合钼酸铵与去离子水以重量比1.3-1.8:1:50-60混合5-15min制成光吸收材料。
进一步的技术方案是，所述步骤(3)的具体方法为：将预处理后的基底与光吸收材料在180-230℃下反应18-25h，然后用去离子水清洗烘干，制成光热膜，又称水热合成。通过水热的方式在刻蚀后的Ti网表面原位生长MoS2颗粒，其扫描电镜下呈现出纳米花形状，拥有着更大的比表面积和表面粗糙度，有利于整体的光吸收效果。
进一步的技术方案是，所述基底目数为250-350目，厚度为0.2-0.8mm；所述步骤(4)中结构裁切的形状包括S形(如图4所示)，结构裁切整体尺寸为长10.5-13.5cm，宽为2.5-3.5cm(即图4所示的长和宽)，所述结构裁切后的一端横截面为0.2-0.8mm*3-6mm。
所述步骤(1)中将基底经裁切后进行清洗是指将裁切后的基底在丙酮或乙醇多次清洗下去除表面的多余杂质以获得干净的基底。
硫化钼属于半导体材料，由于其禁带宽度较窄而具有优异的近红外吸收特性以及易于合成等特性，通常具有优异的光热稳定性和光吸收率，是一种十分优异的潜在太阳能捕获材料。
钛具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性，Ti网在耐腐蚀介质环境中，表面能够生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，产生钝化现象，保护了Ti网基体不被腐蚀，从而达到抗强腐蚀作用；尤其在下列使用环境中耐腐蚀性更为优秀，如：海水、湿氯气、亚氯酸盐及次氯酸盐溶液、硝酸、铬酸金属氯化物以及有机盐等。
相比单一的钛金属，钛合金中由于含有除钛之外的其他杂元素，更能丰富材料内部的电子结构和能级跃迁形势，对光吸收和光热转换具有促进作用，也有利于其他材料的附着生长，因而能够显著提高海水淡化膜的蒸发性能。此外，钛合金具有更强的耐腐蚀性能，对于膜的长效稳定性更有利。同理，不锈钢不仅耐腐蚀，而且含有多种杂元素，也能够显著提高海水淡化膜的蒸发性能。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
(1)本申请所述的海水淡化膜表面通过水热合成的方式负载了硫化钼纳米花，其中Ti网或Ti合金网作为基底材料，MoS2作为光吸收材料；并且通过将MoS2-Ti网裁剪成S形结构，使其能够更有利于产生焦耳热效应，实现光-电-热海水淡化。(2)在海水淡化过程中，本申请所述的海水淡化膜不仅能够在光照条件下稳定、高效的产生水蒸汽，还能在外界电能输入的情况下实现更加高效、普适的全天候光-电-热水蒸发，高通量产出淡水。
附图说明
图1为海水淡化膜的实物图。
图2为海水淡化膜在扫描电镜(SEM)下的微观图。
图3为MoS2纳米花在扫描电镜(SEM)下的微观图。
图4为S形海水淡化膜的三维示意图。
图5为在不同电流、不同光照情况下的综合水蒸发速率图。
图6为S形海水淡化膜在不同电流下的升温图。
具体实施方式
为了更好理解本申请技术内容，下面提供具体实施例结合附图，对本申请做进一步的说明。
实施例1
一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，所述海水淡化膜以钛网作为基底，再与光吸收材料结合，制成海水淡化膜，具体包括以下步骤：
(1)基底预处理：将基底经裁切后进行丙酮清洗，然后进行刻蚀处理；
(2)将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；
(3)将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到MoS2-Ti海水淡化膜(见图1和图2)。
所述基底目数为300目，厚度为0.5mm。
所述结构裁切的形状为S形(见图4)，结构裁切尺寸为长为12cm，宽为3cm。
所述刻蚀处理具体为：将清洗后的基底放入质量分数为10％的草酸溶液中，并在沸腾的状态下刻蚀40min,刻蚀过后的基底用去离子水冲洗过后烘干。
所述步骤(2)中将硫脲、四水合钼酸铵与去离子水以重量比1.8:1:55混合10min制成光吸收材料。
所述步骤(3)的具体方法为：将预处理后的基底与光吸收材料在200℃下反应24h，然后用去离子水清洗烘干，制成海水淡化膜。光吸收材料在基底表面原位生长MoS2颗粒，其扫描电镜下呈现出纳米花形状(见图3)。
实施例2
一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，所述海水淡化膜以钛合金网作为基底，再与光吸收材料结合，制成海水淡化膜，具体包括以下步骤：
(1)基底预处理：将基底经裁切后进行丙酮清洗，然后进行刻蚀处理；
(2)将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；
(3)将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到MoS2-Ti海水淡化膜。
所述钛合金为钛和钴元素组成。
所述钛合金中钛的质量分数为2％。
所述基底目数为250目，厚度为0.2mm。
所述结构裁切的形状为S形，结构裁切尺寸长为10.5cm，宽为2.5cm。
所述刻蚀处理具体为：将清洗后的基底放入质量分数为5％的草酸溶液中，并在沸腾的状态下刻蚀35min,刻蚀过后的基底用去离子水冲洗过后烘干。
所述步骤(2)中将硫脲、四水合钼酸铵与去离子水以重量比1.3:1:50混合15min制成光吸收材料。
所述步骤(3)的具体方法为：将预处理后的基底与光吸收材料在180℃下反应25h，然后用去离子水清洗烘干，制成海水淡化膜。
实施例3
一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，所述海水淡化膜以钛合金网作为基底，再与光吸收材料结合，制成海水淡化膜，具体包括以下步骤：
(1)基底预处理：将基底经裁切后进行乙醇清洗，然后进行刻蚀处理；
(2)将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；
(3)将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到MoS2-Ti海水淡化膜。
所述钛合金为钛和氧组成。
所述钛合金中钛的质量分数为60％。
所述基底目数为350目，厚度为0.8mm。
所述结构裁切的形状为S形，结构裁切尺寸长为13.5cm，宽为3.5cm。
所述刻蚀处理具体为：将清洗后的基底放入质量分数为15％的草酸溶液中，并在沸腾的状态下刻蚀45min,刻蚀过后的基底用去离子水冲洗过后烘干。
所述步骤(2)中将硫脲、四水合钼酸铵与去离子水以重量比1.5:1:60混合5min制成光吸收材料。
所述步骤(3)的具体方法为：将预处理后的基底与光吸收材料在230℃下反应18h，然后用去离子水清洗烘干，制成海水淡化膜。
实施例4
所述基底为不锈钢网，其他步骤与实施例2相同。
对比例1
与实施例2相比，所述结构裁切S形的长为15cm，其他步骤与实施例2相同。
对比例2
与实施例2相比，所述基底厚度为0.1mm，其他步骤与实施例2相同。
蒸发性能
采用蒸发性能测试仪对实施例1-4及对比例1-2制备的海水淡化膜进行蒸发速率测试，测试其1sun(即1kW/m2)、1.5A时的蒸发速率，如表1所示。
表1
Figure BDA0003483296440000071
由表1中实施例1和实施例2可知，钛合金制备的海水淡化膜的蒸发速率要大于单一钛制备的海水感化膜。由实施例2和4可知，钛合金与不锈钢制备的海水淡化膜蒸发速率相当。由实施例2与对比例1可知，结构裁切S形的长度对海水淡化膜的蒸发速率影响较大，长度过长其蒸发速率会降低，其原因主要是海水淡化膜在使用过程中，由于自身的多孔结构，其与海水接触位置处形成毛细作用，海水在海水淡化膜的毛细作用下凝集并蒸发，海水蒸发后，海水中的盐分容易残留在海水淡化膜上，造成膜处残留大量积盐，从而影响膜的蒸发速率。由实施例2与对比例2可知，基底的厚度对海水淡化膜的蒸发速率有影响，原因是基底厚度过小，会产生透光，而影响的光吸收，进一步影响蒸发速率。
另外，电能的输入可以增大膜表面的温度(见图6)，光照的存在又能降低表面的湿度，这两种能源的耦合是能够实现1+1＞2，但需要说明的是并不是所有的情况下都能实现这种正向耦合的，譬如当S形MoS2-Ti光热膜两侧的输入的电流足够大时，此时电-热蒸发将是整个蒸发***的主体蒸发，即此时光-热对于提升整体的蒸发效果将不会那么地明显，因此此时就会出现1+1＜2的情况；这也就是图5中当电流的输入为2A(安培)时候，总的水蒸发速率要小于在纯光热水蒸发速率和纯电热水蒸发速率之和的原因所在。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)基底预处理：将基底进行清洗，然后进行刻蚀处理；
(2)将硫脲和四水合钼酸铵混合制成光吸收材料；
(3)将预处理后的基底与光吸收材料反应，得到光热膜；
(4)再将所述光热膜进行结构裁切，制成海水淡化膜。
2.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述钛合金为钛和过渡金属、非金属中的一种或多种元素组成的。
3.根据权利要求2所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述过渡金属包括钒、钼、铌、铬、铁、铜、钴、镍、锆、锌、镉、锰、钯、铑中的一种或多种元素。
4.根据权利要求2所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述非金属包括碳、氮、氧中的一种或多种元素。
5.根据权利要求1或2所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述钛合金中钛的质量分数为2％-99％。
6.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述基底为钛网、钛合金网或不锈钢网中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述刻蚀处理具体为：将清洗后的基底放入质量分数为5％-15％的草酸溶液中，并在沸腾的状态下刻蚀35-45min,刻蚀过后的基底用去离子水冲洗过后烘干。
8.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中将硫脲、四水合钼酸铵与去离子水以重量比1.3-1.8:1:50-60混合5-15min制成光吸收材料。
9.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体方法为：将预处理后的基底与光吸收材料在180-230℃下反应18-25h，然后用去离子水清洗烘干，得到光热膜。
10.根据权利要求1所述的一种S形MoS2-Ti网光-电-热海水淡化膜的制备方法，其特征在于：所述基底目数为250-350目，厚度为0.2-0.8mm；所述步骤(4)中结构裁切的形状包括S形，裁切尺寸为长10.5-13.5cm，宽为2.5-3.5cm。
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