一种具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料的制备方法

本发明涉及一种具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料的制备方法以及在光热转换方面的应用，属于海水淡化领域。

背景技术：

自然水和能源的使用是与人类生命,经济社会发展及其社会进步密切相关的基础性要素。目前市场上有大量的海水淡化技术，例如海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、以及碳酸铵离子交换法等。但是这其中海水冻结法的效率极低，电渗析法以及离子交换法的成本很高，因此这并不能为海水淡化提供长期有效的解决办法。因此,科学家们在关于绿色清洁饮用水资源可持续利用和绿色清洁生产技术研究方面做出了许多贡献。

这其中,利用太阳光能源作为一种可再生能源,由太阳能电池驱动的清洁水蒸发系统是一个有希望的解决办法,它既可以有效地为清洁水的短缺提供解决办法,同时将对于环境的危害降到最低。然而，由于材料对太阳能的吸收性能较差以及由于对容积系统进行传统的批量水加热而导致对周围环境产生的热损失，大大降低了光热转换效率，从而阻碍了其实际应用。

在所有光热材料中，碳基材料，例如无定形碳、炭黑和石墨等材料，由于其π带独特的光学转变能力，在可见光和红外范围内具有良好的吸收宽带光的能力。以无定形碳为例，由于材料内部π电子能级间距很近，因此混合的sp²和sp³键的碳原子具有很好的宽带光吸收能力。同时对于碳材料光热转换性能的测试研究发现，多孔、分层的结构可以提高材料的吸光率。这是因为多孔和分层的结构，变相增长了光与物质的相互作用长度，从而提高了光的吸收率。与此同时，碳材料本身较低的比热容也是其作为光热转换材料的另一巨大优势。

在以mofs作为前驱体的炭材料的合成制备过程中，尽管可以通过调整中心金属、碳源分子以及碳化工艺条件来得到多种多样的多孔炭材料。但是对于所得到的产物缺乏一定的设计性和目的性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料制备方法，该多孔炭光热材料的前驱体为团簇基金属有机骨架材料。

本发明中选取了数种配位键强度存在差异的混合配体mofs作为研究对象。因为材料内部存在键强的差异，因此在热解过程中，mofs材料内部的热解顺序也存在先后顺序的区别，继而可以控制mofs材料的整个热解过程。最后考察mof基多孔炭材料作为光热转换材料时的性能，并且研究了光热效率与炭材料孔结构的关系。

具备多重分形结构的多孔炭材料由于其发达的孔结构以及复杂的孔种类，可以延长光与炭材料之间的作用距离，从而可以提高炭材料的吸光度以及光热转换效率。

为了制备团簇基金属有机骨架材料作为前驱体的具备多重分形结构的多孔炭光热材料，本发明所用的技术方案的具体步骤如下：

选择恰当的mofs作为前驱体，利用各种现代测试方法，研究mofs晶体的热解机理，确定各种mofs前驱体内部化学键的热解顺序。从而通过设计升温过程，获得具备多重分形结构的多孔炭光热材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤，

步骤一：根据所需要的mofs晶体，从大量文献中分别挑选出团簇基mofs(包括但不限于zif系列、mof-5系列等)、棒状堆叠的mofs(包括但不限于m-对苯二甲酸-(l-乳酸)类mofs，m＝zn、fe、co、ni等)和片层堆叠的mofs(m-p-l类mofs，m＝zn、fe、co、ni等，p＝对苯二甲酸、4,4’-联苯二甲酸、富马酸等，l＝异烟酸、三乙烯二胺、4,4’-联二吡啶等)三类mofs前驱体。并对mofs晶体进行表征测试。

进一步地，步骤一种，所有mofs采用水热法合成制备；

步骤二：对已经制备的mofs产物进行热重质谱联用测试以及原位红外测试，实时记录、分析热解过程中的气体副产物信息以及官能团变化。

进一步地，步骤二中：质谱测试是在全扫描模式下进行的，质量数扫描范围为1-200。对质谱信息进行筛选得到离子强度明显变化的质量数；

进一步地，步骤二中：热重质谱联用测试和原位红外测试均是在n2氛围中进行的；

进一步地，将步骤二中获得的热重质谱联用数据与nist数据库进行对比，确认气体副产物对应的配体分子，同时确认该配体分子的热解温度；

进一步地，将步骤二中获得的原位红外谱图中获得的官能团变化信息归纳总结，确定属于配体分子的特征官能团的变化温度。

步骤三：根据步骤二结论，设计升温过程，使得维持mofs内部各级结构的化学键发生选择性断裂，使前驱体发生定向热解，得到具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料。

进一步地，步骤三中的炭化处理温度为500-900℃；

进一步地，步骤三中炭化处理时的升温方式为直接升温或者5-25℃/min的升温速率中的一种；

进一步地，步骤三中预处理和炭化处理时的气体氛围均为n2环境。

本发明的积极效果如下：

本发明提出了一种以恰当的mofs材料作为前驱体，利用现代分析测试方法，研究确定其热解机理，并设计得到各种具有多重分形结构的多孔炭光热材料的制备方法。选取有机配体及金属盐作原料，采用溶剂热反应获得具有不同形貌的mofs结构。通过控制溶剂热反应的条件、金属盐的种类以及碳源分子的种类，由于不同配体和不同金属离子间具备不同的配位作用，得到的mofs会表现出不同的自组装方式，其中包括所描述的团簇基mofs材料、棒状堆叠mofs和片层堆叠mofs。由于不同种的mofs在热解过程中，内部存在各种不同强度的化学键，因此其热解顺序存在差异，通过热重测试、热重质谱联用以及原位红外分析等方法，可以确定该热解过程，并设计制备得到各种具备多重分形结构的多孔炭材料。且制备得到的炭材料在作为光热转换材料时，在海水淡化领域表现出了优异的性能。

附图说明

图1为发明实施案例1制备mofs晶体锌-对苯二甲酸-(l-乳酸)(zbl)的扫描电子显微镜图。

图2为发明实施案例1制备mofs晶体zbl的n2吸脱附曲线和孔径分布曲线。

图3为发明实施案例1制备mofs晶体zbl的tg-ms曲线。

图4为发明实施案例1制备mofs晶体zbl的原位红外测试谱图。

图5为发明实施案例1制备mofs晶体zbl在预处理后，在900℃得到的炭化产物的扫描电子显微镜图。

图6为发明实施案例1炭化产物的光热性能测试曲线。

图7为发明实施案例1炭化产物的海水淡化测试曲线。

具体实施示例

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明，下面通过实施例作进一步的举例说明。

实施例1

本实施例提供了一种具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料的制备方法以及在光热转换方面的应用，其包括以下步骤：

步骤一：以水热法制备棒状堆叠mofs，该mofs为锌-对苯二甲酸-(l-乳酸)(记为zbl)，其具体制备过程为现有技术，无需赘述。

用扫描电子显微镜(sem)n2吸脱附曲线测试(bet)对材料进行表征，测试结果分别如图1和图2所示，其中bet数据为比表面积47.63m²/g，孔体积为0.06cm³/g。通过表征测试可知，本发明成功获得了金属有机骨架材料mofs。

步骤二：对已经制备的mofs产物进行热重质谱联用测试以及原位红外测试，实时记录、分析热解过程中的气体副产物信息以及官能团变化。具体地，本实施例对zbl进行的热重质谱联用测试和原位红外测试是在25-800℃范围内进行的，测试氛围为n2。

热重质谱联用测试时，是在全扫描模式下进行的，质量数扫描范围为1-200；

原位红外测试时，每隔10℃采集一次信息；

其结果分别如图3和图4所示；

将步骤二中获得的热重质谱联用数据与nist数据库进行对比，确认气体副产物对应的配体分子，同时确认该配体分子的热解温度。其结果如表1所示：

表1zbl的热重质谱联用数据

步骤三：设计升温过程，使得维持mofs内部各级结构的化学键发生选择性断裂，使前驱体发生定向热解，得到具备特定形貌和多重分形结构的多孔炭光热材料。其形貌如图5所示。图6为利用炭化产物作为光热材料进行的光热性能测试，试光源为808nm的红外激光，光源功率为0.64w。可以发现该材料在光源照射下在3分钟内达到最大温度122℃，光热转换效率高达58.3％。图7为利用炭化产物作为光热材料进行的海水淡化实验测试，测试结果表明该材料的海水淡化效率为73.4％。

本实施例确定的热解机理为：在30-100℃范围内，mofs晶体中的客体水分子逸出；在100-300℃范围内，乳酸分子发生热解；在300-550℃范围内，部分碳氢正离子、苯环离子以及n.n-二甲基甲酰胺(dmf)逸出。在300℃进行预处理后的产物，在进行炭化处理后，得到了沿锌-(l-乳酸)棒状结构解离的形貌。