CN115196632A - 一种石墨烯基光热转换材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯基光热转换材料的制备方法及其应用，属于光热转换材料技术领域。本发明所述石墨烯基光热转换材料的制备方法包括：取碳化硅在氧化石墨烯溶液中超声混合得到GO混合溶液；在水中加入表面活性剂搅拌静置，至所有气泡静置在液面形成气泡簇；将所得气泡簇加入至GO混合溶液中，搅拌得到复合前驱体；将复合前驱体快速冷冻，再冷冻干燥得到GO‑SiC泡沫，最后经过热还原即得所述石墨烯基光热转换材料。本发明合成了一种石墨烯基碳化硅复合多孔泡沫，碳化硅的加入提高了泡沫的光吸收能力，GO和碳化硅反应形成的二氧化硅层还可提高泡沫的亲水性、结构稳定性等，为提高RGO‑SiC的蒸汽转换效率奠定了基础，具有良好的应用前景。

Description

一种石墨烯基光热转换材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于光热转换材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基光热转换材料的制备方法及其应用。
背景技术
淡水是人们日常生活、工业生产中必不可少的资源之一，然而由于人口急剧增长和经济快速发展，淡水资源越来越稀缺。预计2025年，全球约有三分之二的人将面临淡水短缺及其带来的一系列问题。针对目前淡水稀缺的问题，研究人员提供了一系列解决方法，其中海水淡化技术被认为是最可行的方法之一。海水淡化技术通常包括反渗透、多级闪蒸、电渗析技术等，但它们往往需要直接或间接地消耗不可再生能源并产生环境污染，不利于可持续发展；因此，开发新型海水淡化技术势在必行。
光蒸汽转换尤其是界面光蒸汽转换技术[Nature Communication.2014,5,4449]自提出就因其完全以清洁能源为动力、能量转换效率高引起了广泛的关注；其主要是利用光热材料吸收太阳能的性质，快速将太阳能转换成热能，从而蒸发海水，冷凝得到淡水。目前常用的光热材料有：半导体材料[Advanced Materials.2017,29,1603730]、等离激元纳米材料[Nanoscale.2018,10,6186]和碳基材料[Small.2021,48,2007176]等。半导体材料成本低、种类多，但传统半导体大多都为宽带隙半导体，常常需要额外的费用或时间去缩短半导体的带隙以达到对太阳能的高吸收；等离激元纳米材料具有良好的光热性能，但成本高，制备工艺复杂；碳基材料尤其是石墨烯基材料由于其良好的光吸收性，结构可调性及化学稳定性被大量研究。然而，石墨烯基材料在太阳光谱的红外波段没有理想的光吸收率；作为典型的二维材料，石墨烯基材料也不利于水传输；此外，目前普遍采用的石墨烯基材料的合成工艺(例如气相沉积法、水热法)过程存在复杂、可控性差等缺陷。
发明内容
针对背景技术所提及的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯基光热转换材料的制备方法及其应用，旨在解决传统光热转换材料光吸收率低、光蒸汽转换效率低、成本高及合成工艺复杂等技术问题。
本发明具体是通过如下技术方案实现的：
本发明提供了一种石墨烯基光热转换材料的制备方法，包括如下步骤：
1)取碳化硅在氧化石墨烯溶液中超声搅拌得到GO混合溶液；
2)在水中加入表面活性剂搅拌静置，至所有气泡静置在液面形成气泡簇；
3)将步骤2)所得气泡簇加入至步骤1)GO混合溶液中，搅拌得到复合前驱体；
4)将复合前驱体快速冷冻，再冷冻干燥得到GO-SiC泡沫，最后经过热处理即得所述石墨烯基光热转换材料。
进一步地，步骤1)所述碳化硅与氧化石墨烯的质量比为1:3。
进一步地，步骤2)所述表面活性剂为Pluronic F127；利用表面活性剂PluronicF127在高速搅拌条件下产生大量稳定气泡的性质制备F127气泡簇。
进一步地，步骤3)具体是以气泡簇作为软模板，引导碳化硅修饰的GO片在气泡边缘分布排列，以形成软模板引导的GO复合前驱体。
进一步地，步骤4)快速冷冻是置于液氮中冷冻3-5min；采用液氮快速冷冻的目的是大幅度保持GO复合前驱体的原始排列；此外，GO溶液中的去离子水冷冻成的冰晶也作为软模板为后续样品提供了大量的开放孔。
进一步地，步骤4)所述热处理为：将GO-SiC泡沫转入炉中加热至150-200℃，保温4-6h后随炉冷却。
进一步地，所述加热的升温速率为5℃/min，加热保温过程均在惰性气氛中进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用F127软模板合成了还原氧化石墨烯-碳化硅(RGO-SiC)的复合互连多孔材料，相比于传统的气相沉积和水热法，此方法更加简单且成本低廉。F127气泡簇和冰晶的双模板意味着更多孔的形成，这更加有利于材料中水的运输和蒸汽的溢出。此外，在热还原步骤中，碳化硅和还原氧化石墨烯之间形成了新的SiO2层，相比于范德华力连接的复合材料，以化学键连接的复合材料更能保持结构和化学稳定性，SiO2层的出现也有利于改善材料的亲水性和局部热性，为提高RGO-SiC的蒸汽转换效率奠定了基础。复合碳化硅纳米颗粒与还原氧化石墨烯，改善了纯石墨烯基材料在红外区域的光吸收性能，在1个太阳光的照射下，材料在太阳光全谱(300-2500nm)范围内的光吸收率达到了90％，而纯还原氧化石墨烯在太阳光全谱的光吸收率仅有85％。零维材料碳化硅纳米颗粒的加入同时也改善了还原氧化石墨烯二维片的水传输动力学，在碳化硅颗粒上形核并生长的水滴具有更大的尺寸和更快的传输速率。此外，本发明具有良好的光热转换效率，在1个太阳光强度照射下，材料5min之内表面温度能够上升至84℃，1min之内可以达到71.2℃，而Fan等人合成的光热转换材料1min内仅上升至68.9℃[Advanced Functional Materials.2020,30,2007110]。将本发明材料应用于界面光蒸汽转换技术，在1个太阳光强度下，相比于之前的石墨烯基光热转换材料(Wang等人合成的石墨烯基材料水蒸发率为0.9kg/m-2·h-1[Chemistry ofmaterials.2017,29,5629]，Ming等人设计的石墨烯基材料的光蒸汽转换效率仅达到了90.7％[Carbon.2020,167,285])，本发明拥有更高的水蒸发率和能量转换效率——分别达到了1.85kg/m-2·h-1和95％。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的光热转换材料放大1200倍的SEM图。
图2为本发明实施例1制备的光热转换材料放大2400倍的SEM图。
图3为本发明实施例1制备的光热转换材料的EDS元素分布图。
图4为本发明实施例1制备的光热转换材料的实物图。
图5为本发明实施例1制备的光热转换材料的XRD衍射图谱。
图6为本发明实施例1制备的光热转换材料的XPS图谱。
图7为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在太阳光全谱范围的吸光度曲线。
图8为本发明实施例1制备的光热转换材料原位ESEM图像。
图9为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在1个太阳光强度下5min内表面温度的变化曲线。
图10为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在1个太阳光强度下照射60min，水蒸发质量随时间的变化曲线。
图11为本发明实施例2制备的光热转换材料放大1200倍的SEM图。
图12为本发明实施例2制备的光热转换材料放大2400倍的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
1、SiC与GO的均匀混合：取5mg的SiC粉末加入到1wt％的GO水溶液中，磁力搅拌10min，超声波处理1h，交替进行3次得到GO混合溶液。
2、F127气泡簇的配制：加入0.1g的Pluronic F127粉末于99mL去离子水中，高速磁力搅拌5min，结束搅拌后静置1min直至所有气泡静置在液面上。
3、软模板引导的GO复合前驱体的形成：取0.1g的F127气泡簇加入到GO混合溶液中，以260rpm转速搅拌2h得到GO片排列在F127气泡表面的复合前驱体。
4、快速冷冻：将得到的GO复合前驱体迅速放置于液氮中冷冻5min中直至液体被完全冷冻。
5、冷冻干燥：将冷冻后的样品放入冷冻干燥机中，12h后取出，得到GO-SiC泡沫。
6、热还原：将GO-SiC泡沫放置在管式炉中在氩气的气氛下以5℃/min的加热速率加热至150℃，保温6h，随炉冷后取出。
实施例2
1、SiC与GO的均匀混合：取4mg的SiC粉末加入到1wt％的GO水溶液中，磁力搅拌10min，超声波处理1h，交替进行3次得到GO混合溶液。
2、F127气泡簇的配制：加入0.1g的Pluronic F127粉末于99mL去离子水中，高速磁力搅拌5min，结束搅拌后静置1min直至所有气泡静置在液面上。
3、软模板引导的GO复合前驱体的形成：取0.1g的F127气泡簇加入到GO混合溶液中，以280rpm转速搅拌2h得到GO片排列在F127气泡表面的复合前驱体。
4、快速冷冻：将得到的GO复合前驱体迅速放置于液氮中冷冻5min中直至液体被完全冷冻。
5、冷冻干燥：将冷冻后的样品放入冷冻干燥机中，12h后取出，得到GO-SiC泡沫。
6、热还原：将GO-SiC泡沫放置在管式炉中在氩气的气氛下以5℃/min的加热速率加热至150℃，保温6h，随炉冷后取出。
图1、2、11、12为实施例1、2制备的光热转换材料放大1200/2400倍的SEM图，由此证明了多孔结构的形成及碳化硅纳米颗粒的存在。图3为实施例1制备的光热转换材料的EDS元素分布图也证明了碳化硅纳米颗粒的存在。图4为实施例1制备的光热转换材料的实物图。图5为实施例1制备的光热转换材料的XRD衍射图谱，SiC的PDF卡片：JCPDS No.29-1131，证实了GO泡沫成功被热还原和碳化硅纳米颗粒的存在。图6为实施例1制备的光热转换材料的XPS图谱，证明热还原后SiO2界面的形成。图7为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在太阳光全谱范围的吸光度曲线。图8为本发明实施例1制备的光热转换材料原位ESEM图像，证明了在SiC纳米颗粒上的水滴具有更快的传输速度和更大的尺寸。图9为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在1个太阳光强度下5min内表面温度的变化曲线。图10为掺杂和未掺杂SiC纳米颗粒的RGO泡沫在1个太阳光强度下照射60min，水蒸发质量随时间的变化曲线。
以上所描述的实施例仅表达了本发明的几种优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不用于限制本发明。应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种变化和更改，凡在本发明的构思和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取碳化硅在氧化石墨烯溶液中超声搅拌得到GO混合溶液；
2)在水中加入表面活性剂搅拌静置，至所有气泡静置在液面形成气泡簇；
3)将步骤2)所得气泡簇加入至步骤1)GO混合溶液中，搅拌得到复合前驱体；
4)将复合前驱体快速冷冻，再冷冻干燥得到GO-SiC泡沫，最后经过热处理即得所述石墨烯基光热转换材料。
2.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述碳化硅与氧化石墨烯的质量比为1:3。
3.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述表面活性剂为Pluronic F127。
4.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤3)具体是以气泡簇作为软模板，引导碳化硅修饰的GO片在气泡边缘分布排列，以形成软模板引导的GO复合前驱体。
5.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤4)快速冷冻是置于液氮中冷冻3-5min。
6.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述热处理为：将GO-SiC泡沫转入炉中加热至150-200℃，保温4-6h后随炉冷却。
7.根据权利要求1所述石墨烯基光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述加热的升温速率为5℃/min，加热保温过程均在惰性气氛中进行。
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