一种含铜碳基复合高效光热转换材料及其制备方法

1.本发明涉及太阳能热利用领域，具体涉及一种含铜碳基复合高效光热转换材料及其制备方法。


背景技术：

2.太阳能作为“21世纪的能源”，其清洁、可持续、储量大，是当前学者的研究热点。太阳能的利用主要分为光热利用和光电利用。其中，光热利用，又称光热转换，通过使用特定设备聚焦、直接吸收或以其他方式将太阳的辐射能转换为热能，从而满足不同的需要，是人类利用太阳能最简单、最直接、最有效的途径。太阳能光热转换技术的应用十分广泛，如光热发电、光热储能、海水淡化、污水处理等。
3.由于太阳辐射能量分布在280
‑
4000 nm范围（其中400
‑
2500 nm占比约99%），且辐射功率密度低，因此，光热转换技术的关键在于如何高效地收集太阳能，其中，宽频、高效的光吸收是实现高效光热转换的先决条件。当前，高性能光热转换材料已受到了广泛关注，其主要包括等离激元基光吸收材料和碳基光吸收材料，其中，等离激元基光吸收材料主要有au、ag、cuo等，碳基光吸收材料主要有碳黑、石墨、石墨烯、碳纳米管等。
4.随着经济的快速发展和科技的逐渐进步，印刷电路板产量飞速上升，其生产工艺导致了大量含铜离子废液产生，给周边环境带来了严重威胁。目前，采用吸附法处理含铜离子废液的效果较好，但吸附后生成的含铜有机固体废弃物的后续回收和资源化利用有待进一步加强。
5.含铜化合物在可见
‑
近红外光谱区具有较强的光吸收特性，碳基材料具有超高稳定性和光吸收性，将含铜化合物与碳基材料相结合可实现宽频高效的光吸收。综上，本发明从处理含铜离子废液出发，采用甲壳质衍生物吸附铜离子，所得含铜有机固体废弃物经碳化处理得到含铜碳基复合高效光热转换材料，实现更高效的光吸收。


技术实现要素：

6.解决的技术问题：针对现有技术的不足，本申请提供了一种含铜碳基复合高效光热转换材料及其制备方法，制备成本低，提升了光吸收率，解决了目前存在的大量含铜离子废液的产生给周边环境带来严重威胁等难题。
7.技术方案为实现上述目的，本申请通过以下技术方案予以实现：一种含铜碳基复合高效光热转换材料，所述含铜碳基复合高效光热转换材料，采用甲壳质衍生物制备吸附剂，吸附铜离子后经碳化处理得到含铜碳基复合高效光热转换材料。
8.优选的，所述铜离子溶液浓度为200 mg l
‑1。
9.优选的，所述含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液或cuso4原溶液中的一种或多种。
10.优选的，所述制得的含铜碳基复合高效光热转换材料为碳基光吸收材料或等离激元基光吸收材料。
11.优选的，所述吸附过程中，吸附时间为6 h。
12.本发明还公开了一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，步骤为：第一步，制备吸附剂：首先称取甲壳质衍生物加入到饱和一元酸中，其中，所述甲壳质衍生物与饱和一元酸的质量比是1:1
‑
3，以100 r/min的转速磁力搅拌至完全溶解，加入醛类交联剂交联，其中，所述醛类交联剂与甲壳质衍生物的质量比为1:10
‑
20，冷冻干燥；将干燥完成的交联体放入洗涤剂中，去除多余的饱和一元酸，得到成型的碳基多孔吸附剂；第二步，制备含铜碳基复合高效光热转换材料：首先配制模拟含铜离子废液，调节ph为5.5
‑
6.0，放入碳基多孔吸附剂，完成铜离子吸附后，将所得含铜有机固体废弃物鼓风干燥8 h，其中，所述鼓风干燥温度为70
‑
95℃，并在管式炉内碳化处理，通过碾压及筛选得到含铜碳基复合高效光热转换材料。
13.优选的，所述第一步中，洗涤剂的配制过程是：将无机强碱溶于无水乙醇所得，其中，所述无机强碱与无水乙醇的质量比为0.1
‑
0.3%。
14.优选的，所述第二步中，模拟含铜离子废液的配制过程是：称取高纯铜粉与硝酸溶液和/或硫酸溶液反应，配置成1000 mg l
‑1的原溶液，再加入不同体积的去离子水稀释；所述碳化处理温度为400
‑
600℃，在氮气氛围下煅烧2 h，升温速率10 ℃/min，再在氮气氛围下降温至250℃，并在空气氛围下恒温1 h，自然冷却；所述筛选目数为200目。
15.有益效果本申请提供了一种含铜碳基复合高效光热转换材料及其制备方法，具备以下有益效果：1、利用甲壳质衍生物制备出具有良好吸附性能的吸附材料，用于含铜离子废液的处理，并将吸附后的含铜有机固体废弃物经碳化处理得到含铜碳基复合高效光热转换材料，用于太阳能热利用，实现废物资源化利用和新能源技术的有机结合。
16.2、本申请采用吸附法处理含铜离子废液，并将其进行再加工，有效实现了废弃物的资源化利用。
17.3、本申请利用废弃物制备光热转换材料，有效解决了当前光热转换材料制备复杂、成本昂贵的问题。
18.4、本申请在吸附铜离子后，采用碳化处理技术制备出含铜碳基复合高效光热转换材料，其同时具有碳基光吸收材料的宽频带高效光吸收特性和等离激元基光吸收材料的红外响应特性，提升了光吸收率，在太阳能热利用领域具有广阔的应用前景。
19.5、本申请将含铜碳基复合高效光热转换材料应用到海水淡化领域，制备出一种纤维素聚丙烯酰胺水凝胶。该水凝胶可以切割成任意的形状，并具有良好的多孔结构和漂浮性能，在一个太阳光强下其蒸发速率高达1.80 kg m
‑
2 h
‑1，实现了高效的太阳能蒸发，具有良好的应用价值。
20.6、通过将本含铜碳基复合高效光热转换材料进行不同的制备利用，能够实现不同的功能。所述实现的功能为太阳能热利用领域的海水淡化、污水处理、光热发电、光热储能中的一种或多种。
附图说明
21.图1为本申请吸附铜离子过程的实物图。
22.图2为本申请含铜碳基复合高效光热转换材料的sem和eds测试图。
23.图3为本申请含铜碳基复合高效光热转换材料的xrd测试图。
24.图4为本申请纤维素聚丙烯酰胺水凝胶的光谱吸收图。
25.具体实施方式
26.下面将结合说明书中的附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
27.以下实施例中所使用的材料和试剂，如无特殊说明，均为市售商品。
28.实施例1：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
29.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，步骤为：第一步，制备吸附剂：首先称取1 g壳聚糖加入到50 ml质量分数为2%的乙酸溶液中，磁力搅拌至壳聚糖完全溶解。加入5 ml质量分数为1%的戊二醛溶液，继续搅拌30 min交联后，冷冻12 h成型，再放入冷冻干燥箱冷冻干燥48 h。将0.1 g naoh加入至100 ml无水乙醇溶液中配制洗涤剂，将干燥完成的交联体放入洗涤剂中，震荡2 h去除多余的乙酸，得到成型的碳基多孔吸附剂；第二步，制备含铜碳基复合高效光热转换材料：首先称取1 g高纯铜粉与1 mol/l硝酸溶液反应，待反应完全后，转移到1 l的容量瓶中配置成1000 mg l
‑1的原溶液，再加入去离子水稀释至200 mg l
‑1，调节ph为5.5
‑
6.0。将碳基多孔吸附剂放入cu(no3)2原溶液，吸附6 h至饱和，吸附铜离子过程的实物如图1所示。随后，将吸附后的碳基多孔吸附剂放入鼓风干燥箱，80℃干燥8 h。之后在管式炉中在氮气氛围下550℃煅烧2 h，升温速率10 ℃/min，再在氮气氛围下降温至250℃，并在空气氛围下恒温1 h，自然冷却，碾压后筛选得到含铜碳基复合高效光热转换材料；制备得到的含铜碳基复合高效光热转换材料的sem和eds测试图如图2所示，由sem (扫描电子显微镜)图像可以看出，含铜碳基复合高效光热转换材料的颗粒尺寸约为30 μm，呈多孔结构；吸附后的碳基多孔吸附剂在经过煅烧处理后，铜颗粒得到活化，通过放大可以看到，铜颗粒均匀分布在材料表面，且铜颗粒聚集的地方形成了直径较大的孔。由eds(x射线能谱分析)结果可以看出，n、o、cu在含铜碳基复合高效光热转换材料表面均匀分布。图3为含铜碳基复合高效光热转换材料的xrd测试图，可以看到在36.5
°
和39.8
°
处的吸收峰对应cuo，以及在37.2
°
和43.1
°
处的吸收峰对应cu2o，表明吸附后的铜离子在含铜碳基复合高效光热转换材料中以cuo和cu2o的形式存在。
30.第三步，制备纤维素聚丙烯酰胺水凝胶：首先分别称取2 g丙烯酰胺、0.03 g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺置于烧杯中，加入5 ml去离子水，200 r/min磁力搅拌至溶液变澄清透明。滴加0.08 g的聚乙二醇二丙烯酸酯，并加入0.1 g的过硫酸铵，继续搅拌30 min，得到溶液a。再分别称取20 g纤维素匀浆，10 ml去离子水，1000 r/min磁力搅拌30 min。向溶液中加入10 g 5 wt%的聚乙烯醇溶液，继续搅拌1 h，得到溶液b。将0.3 g的含铜碳基复合高效
光热转换材料加入溶液b中，800 r/min搅拌30 min，滴加溶液a，并加入4 g的碳酸氢钠，充分搅拌2 h。最后将混合溶液置于鼓风干燥箱中，85℃下充分交联并发泡40 min，得到具有多孔结构的纤维素聚丙烯酰胺水凝胶。
31.制备得到的纤维素聚丙烯酰胺水凝胶的吸收光谱如图4所示，可以看出，负载了含铜碳基复合高效光热转换材料的水凝胶的光吸收率相比空白水凝胶有了大幅提升，在250
‑
2500 nm波长均达到了95
‑
98%，实现了宽频高效的光吸收。
32.将太阳能应用于海水淡化领域，能有效解决传统海水淡化技术的高能耗、高成本、高污染等问题，在缓解全球水危机上有着广阔应用前景。本发明制备出的含铜碳基复合高效光热转换材料，经制备得到一种纤维素聚丙烯酰胺水凝胶，集光吸收、水传输、热固定三种功能于一体，并利用其进行光热蒸发实验，实现了高效的太阳能蒸发。
33.实施例2：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
34.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，其制备方法与实施例1相同，不同之处在于乙酸的质量分数为6%。
35.实施例3：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
36.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，其制备方法与实施例1相同，不同之处在于戊二醛溶液的质量分数为0.5%。
37.实施例4：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
38.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，其制备方法与实施例1相同，不同之处在于鼓风干燥温度为70℃。
39.实施例5：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
40.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，其制备方法与实施例1相同，不同之处在于naoh与无水乙醇的质量比为0.3%。
41.实施例6：本实施例中，甲壳质衍生物为壳聚糖，含铜离子溶液为cu(no3)2原溶液，实现功能为海水淡化，饱和一元酸为乙酸，醛类交联剂为戊二醛，无机强碱为naoh。
42.一种含铜碳基复合高效光热转换材料的制备方法，其制备方法与实施例1相同，不同之处在于煅烧温度为400℃。
43.以上所述仅为本发明的实施方式，本发明的保护范围不限于上述的实施案例，凡依本发明申请专利范围所做变化和修饰，皆应属本发明的涵盖范围，本申请所要求的保护范围如本申请权利要求书所示。