[发明专利]一种多级孔隙结构的气-水凝胶的制备方法及其产品

说明书

本发明公开了一种多级孔隙结构的气‑水凝胶的制备方法及其产品与应用，属于太阳能应用技术领域。首先将Pickering乳液凝胶冷冻干燥制备出密度低、亲水性好的气凝胶多孔材料，然后向羧甲基纳米纤维素钠水溶液中添加聚苯胺水分散液、去离子水、戊二醛溶液，并滴加酸制得酸化高分子粘性水溶液；将气凝胶置于酸化高分子粘性水溶液中进行水凝胶凝胶化过程，通过毛细作用力、浸润作用将气凝胶与水凝胶有效交联得到具有多级孔隙结构的气‑水凝胶，将其作为太阳能水蒸发器。本发明的制备方法简单，制得的气‑水凝胶蒸汽产生速率高，且能在风能促进下从环境中汲取热量，在太阳能驱动蒸汽产生方面应用前景广阔。

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，具体涉及一种多级孔隙结构的气-水凝胶的制备方法及其产品。

背景技术

太阳为地球提供了惊人的能量，每年的太阳通量约为1.2×10⁵太瓦，远远超过了当今社会人类的需求。因此，在实际生活中人们常常将太阳能转化为其他能源，以实现太阳能的多样化利用，例如利用太阳能水蒸发器将太阳能转化为热能，产生水蒸气，所产生的水蒸气可以进行冬季供暖、蒸煮食物、储存等用，因其使用方便、造价低廉而广受关注。近年来，通过在水表面漂浮的多孔结构实现热局部化，达到了更高的太阳能蒸汽产生效率。另外，通过优化太阳能水蒸发器的结构，一度达到了接近100％的效率。尽管实现了如此高的效率，但实际上蒸汽产生速率仍是更直接的要求。受蒸发潜热(～2260J·g^-1)的限制，即使在效率为100％的情况下，太阳能水蒸发器对水的蒸发速率仍然很低。现有的太阳能水蒸发器多为水凝胶材质，水凝胶是一种用水溶胀的三维交联聚合物网络，聚合物链中的水溶性基团(如羟基、羧基和磺酸基团)可以通过氢键和静电相互作用与水分子相互作用，从而降低水汽化所需的能量。然而，单一的水凝胶结构在完全膨胀后往往密度接近1g·cm^-3，只能悬浮在水面以下；此外，水凝胶中较高的水含量往往会导致太阳能水蒸发器的高导热性，从而散失热量并降低整体效率。随着太阳能蒸汽产生技术的不断发展，传统的基于水凝胶结构的太阳能水蒸发器受限于热损失，难以进一步提高蒸汽产生速率。因此，开发一种能够有效提高蒸汽产生速率的太阳能水蒸发器材料十分必要。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种多级孔隙结构的气-水凝胶的制备方法，以低密度气凝胶多孔材料以及羧甲基纳米纤维素钠、戊二醛、聚苯胺等作为基材来制备多级孔隙结构的气-水凝胶用作太阳能水蒸发器来提高蒸汽产生速率。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明的技术方案之一，一种多级孔隙结构的气-水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将Pickering乳液凝胶冷冻干燥制备气凝胶多孔材料，然后将所述气凝胶多孔材料置于酸化高分子粘性水溶液中，凝胶化反应，冻融，冷冻干燥，最后在水中溶胀得到所述多级孔隙结构的气-水凝胶。

进一步地，所述Pickering乳液凝胶的制备方法为：将戊二醛溶液与纤维素纳米纤维水分散液混合，搅拌，调节pH值至4，得到溶液A；将聚乳酸与1,2-二氯乙烷混合得到溶液B；将所述溶液A与溶液B混合，得到混合溶液；将所述混合溶液超声处理，得到所述Pickering乳液凝胶。

进一步地，所述戊二醛溶液的固含量为25wt％，所述纤维素纳米纤维水分散液的浓度为0.5wt％，所述戊二醛溶液与纤维素纳米纤维水分散液的体积比为1:400，所述溶液B中聚乳酸的浓度为2wt％，所述溶液A与溶液B的体积比为4：1。

进一步地，所述超声处理的功率为400W。

进一步地，所述超声处理为多次重复超声处理，每次超声处理的时间为5min，每次超声处理后进行摇匀处理，摇匀后立即进行下一次超声处理，重复超声处理5次。

进一步地，所述酸化高分子粘性水溶液的制备方法为：向羧甲基纳米纤维素钠水溶液中依次添加聚苯胺水分散液、水、戊二醛溶液，搅拌混合后加入酸，继续搅拌，得到所述酸化高分子粘性水溶液。