[发明专利]一种碳材料微珠/聚合物复合膜及其制备和应用

说明书

本发明提供了一种碳材料微珠/聚合物复合膜及其制备和应用，该复合膜中碳材料微珠为碳纳米管微珠或石墨烯微珠，且碳材料微珠为多级孔结构，聚合物为聚丙烯酸及其衍生物、聚乙烯醇、海藻酸钠或壳聚糖，复合膜中还包括亲水膜。本发明还提供了一种制备该复合膜的方法，通过微流控的方法和煅烧碳材料，再将碳材料微珠和聚合物水溶液混合均匀，浸泡后倒在亲水膜上，过滤，交联后制得碳纳米管微珠/聚合物复合膜，方法操作简单，绿色环保，制得的复合膜用于太阳能驱动的水蒸发，水蒸发速率可以到达1.62kg/m²/h。

技术领域

本发明涉及太阳能驱动水蒸发领域，特别涉及一种应用于太阳能驱动水蒸发的碳材料微珠/聚合物复合膜及其制备方法。

背景技术

近年来，由于人口的急剧增长、水资源的过度开发和水污染，水资源短缺问题已成为世界各地一个现实而紧迫的问题。太阳能驱动的水蒸发作为一种很有前途的技术，以其可持续性和环保的特点受到了广泛的关注。特别是通过高效的太阳能热转换，在空气-水界面产生太阳能蒸汽产生纯水，从而表现出更好的蒸发性能。然而，由于水在太阳能光谱中的光吸收能力较差，自然太阳能驱动的水蒸发效率很低，因此光热材料被广泛应用于加热界面水，提高水蒸发效率。理想的光热材料应具有宽频带太阳吸收、良好的输水性、有效的光热转换能力和蒸汽逸出通道。

据报道，贵金属纳米粒子、碳基材料和黑色无机半导体已被研究作为光热材料。由于纳米粒子表面等离子体共振的局域效应，使得金属结构能够获得光并迅速加热周围环境，因此纳米粒子也得到了广泛的研究。然而，为了提高转化效率，这些金属纳米颗粒通常需要繁琐的形貌调节来克服其固有的窄吸收带宽。此外，纯贵金属纳米粒子价格昂贵，纳米粒子的聚集和分散稳定性还有待研究。而碳基材料以其高效的宽带光吸收、优异的光热转换能力和低廉的成本得到了广泛的应用。特别是碳纳米管(CNT)是特黑材料在整个太阳光谱吸光度非常高，及其物理化学性质稳定、热稳定性好，比热容相对较低，这是光热光谱分析材料的理想选择。同时，很多光热材料的平面表面只有单一的反射，这很大程度上限制了光吸收效果。而三维多孔结构有其独特的特点。例如，光在腔内可以进行多次反射，这有助于增强吸光度进一步提高吸光性能。

因此，需要设计结构合理的，能够提高水蒸发效率且制备方法简单、性价比高的用于太阳能驱动水蒸发的碳材料微珠/聚合物复合膜。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过微流控的方法和煅烧碳材料得到碳材料微珠，再将碳材料微珠和聚合物水溶液混合均匀，浸泡后倒在亲水膜上，过滤，干燥(包括二级干燥)后可以制备获得一种新型光热材料，即碳纳米管微珠/聚合物复合膜，该复合膜应用于太阳能驱动的水蒸发，具有良好的水蒸发速率，综合性能优异，并且制备方法简单，使用简便，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种碳材料微珠/聚合物复合膜，所述碳材料微珠为多级孔结构；

所述聚合物为聚丙烯酸或其衍生物、聚乙烯醇、海藻酸钠或壳聚糖。

第二方面，本发明还提供一种制备上述复合膜的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将碳材料和造孔剂为原料，制备碳材料微珠；

步骤2，将碳材料微珠和聚合物溶液混合；

步骤3，使步骤2得到的混合溶液与亲水膜接触，经处理，制备复合膜。

第三方面，本发明还提供上述第一方面所述的碳材料微珠/聚合物复合膜或第二方面的方法制得的复合膜在太阳能驱动的应用，所述复合膜中，碳纳米管微珠之间通过聚合物粘连在一起，在玻璃纤维上形成矩阵；复合膜内部有丰富的互连的孔结构，有明显的孔径为300～400nm和1～10μm的孔，并且聚合物还填充在多孔碳骨架上；所述复合膜优选在太阳能驱动的水蒸发方面的应用。

附图说明