[发明专利]一种多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶的制备方法

说明书

本发明提供了一种多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶的制备方法。包括以下步骤：(1)首先将氧化石墨烯(GO)和半胱氨酸在去离子水中充分混合，搅拌均匀。然后将一定浓度溶解好的氯化铜(CuCl₂)溶液加入到GO和半胱氨酸的混合液中，最后转移到水热反应釜中进行反应一定时间，最后水洗干净；(2)称取一定量的聚乙烯醇加入适量的水中配置成一定浓度的聚乙烯醇水溶液；(3)向步骤(2)中加入步骤(1)制备的CuS/rGO光热转换材料、交联剂、催化剂，使其混合均匀；(4)将步骤(3)中得到的前驱体转移至模具中，热固化成型；(5)将(4)中得到的多级孔水凝胶用去离子水把多余物质清洗干净。即可得到多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶。该新型水凝胶具有优异的吸光能力，不仅能够加速水的快速蒸发，而且具有优异的机械性能和保水率，能满足实际生产需要。此外该方法流程简单，成本低，可大规模的投入实际生产应用。

技术领域

本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶的制备方法。

背景技术

目前全球超过三分之一人口短缺淡水资源，随着人口增长、工业化和环境污染，会加剧水资源短缺的现状。因为水的总量是一定的，而地球上97％的水由海水组成，因此海水淡化-目前是目前最有效的解决方案。海水淡化的方法主要有蒸馏法、反渗透法、电渗析法、太阳能蒸馏法。前三种方法都需要额外消耗能源来实现海水淡化，而太阳能蒸馏法不消耗常规能源、无污染，是未来海水淡化发展的大方向。光热转换材料是高效利用太阳能用于海水淡化的一个很重要的媒介。为了提高太阳能利用率，超黑吸收剂、贵金属纳米粒子和热浓缩陶瓷等被开发。Fu等人(Applied Thermal Engineering，2017，114，961-968)等人使Au负载在氧化石墨烯上制备的复合材料能有效提高光热转换效率，但是其成本高，不易大规模生产。，因此一种高效的，成本低的光热转换材料急需被开发。此外在水加热、寄生热损失和水蒸发三个主要的热量消耗过程中，仅水蒸发是有效的。因此，在太阳蒸气产生系统中热度局部化策略是必不可少的，将热量限制在少量蒸发表面中的水分可能会大大提高太阳能的利用效率。

纳米硫化铜(CuS)属于P型半导体光热材料，其光热转换的原理：在光照下，CuS粒子的缺陷结构能导致表面载流子迁移，从而形成类似于贵金属纳米粒子的等离子体共振效应产生热量。硫系铜基化合物的等离子体共振效应与其形貌没有直接关系，而取决于自由载流子的浓度，因此其太阳光热转换性能的稳定性较高。然而CuS纳米粒子在水中易团聚，而GO碳层上富含环氧基、羟基、羧基等官能团，并且其比表面积大，因此可以用作CuS纳米粒子的支撑材料。通过在一定温度下的热水反应，得到新型的硫化铜/还原氧化石墨烯(CuS/rGO)光热转换材料。相比贵金属纳米粒子，CuS/rGO成本低廉，容易制备，适合大规模生产和应用。

聚乙烯醇亲水性好，把制备的新型光热转换材料均匀分散到一定浓度的PVA溶液中能够很好的把热量集中在多孔结构的复合水凝胶中，从而减少热损失，提高光热转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶的制备方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：将制备的新型硫化铜/还原氧化石墨烯光热转换材料粉体或分散液加入至一定浓度的聚乙烯醇水溶液中，再加入交联剂和催化剂使混合溶液交联热固化成型，进而制备出多级孔结构加速太阳能水蒸发水凝胶。该新型水凝胶具有优异的吸光能力，不仅能够加速水的快速蒸发，而且具有优异的机械性能和保水率，能满足实际生产需要。此外该方法流程简单，成本低，可大规模的投入实际生产应用。该方法具体包括以下步骤：

(1)硫化铜/还原氧化石墨烯(CuS/rGO)新型光热转换材料的制备：首先将氧化石墨烯(GO)和半胱氨酸在去离子水中充分混合，搅拌均匀。然后将一定浓度溶解好的氯化铜(CuCl₂)溶液加入到GO和半胱氨酸的混合液中，最后转移到水热反应釜中进行反应一定时间，最后水洗干净。