本发明涉及一种新型的金属间化合物与气凝胶的复合材料及其制备方法和在光热方面的应用。
背景技术：
随着人口增长、全球变暖和环境污染，每一块大陆都在经历着淡水短缺的困境。海水和咸水的淡化似乎是增加供应、解决这些问题的唯一可行途径。当前，从海水和咸水中提取淡水最普遍的两种方法是通过膜渗透(ro)和热蒸馏(td)进行淡化。ro需要大量的电力，这不符合目前节能、环保的要求。直接吸收太阳光转换为热也可以驱动td，而在多种多样的太阳能td方法中，将太阳光吸收转换为热，并且局部集中在空气-水的界面处。这个界面处是水的表面自由能和蒸发率最高的地方，也就是光热蒸发水效率最高的界面，这个方法叫做表面光热蒸发水。实现表面光热蒸发水就是通过在水面上铺一层材料。材料吸收太阳光子转换成热，对空气-水界面进行局部加热，进而引起水蒸发。水蒸气穿过材料的孔隙，可以在淡化装置中温度更低的地方进行冷凝。这层材料就叫做光热转换材料或简称光热材料，即能把光转换为热的材料，也是整个表面光热蒸发水体系的核心。光热材料具有高太阳光吸收、高光热转化和低辐射的特点。通常采用黑色的材料来吸收太阳辐射，转化成热能。但这些光热材料具有一个通病：热耗散比较严重。由于光热材料是窄带隙甚至零带隙材料，它们本质上都是热的导体。太阳光在光热材料中转换为热，但是一部分的热却耗散在空气中，造成效率的降低。不仅如此，热的耗散还造成光热材料在光照下的材料温度低下，这就限制了光热材料在其它领域的应用，例如，热催化领域。很多热催化的催化温度是在200℃左右，这是目前的光热材料不能达到的。所以，在保证光热材料高吸光、高效光转换热、低辐射的同时降低材料的热耗散，不仅可以增加光热蒸发水的效率，还可以提升材料温度，进一步拓宽光热材料的应用。综上所述，一个理想的光热转换材料必须具备以下特征：1)具有较宽的光谱响应范围，有效吸收太阳光；2)低的辐射特性，能将吸收的太阳光转换为热而不是转换为光子辐射出去；3)具有低的热耗散，将热能集中在材料内部而不耗散；4)所用元素为丰度较高的元素，便宜易得，环境友好。
技术实现要素：
本发明针对现有材料的不足和对理想光热材料的要求，提供了一种新的金属间化合物与气凝胶的复合材料及其制备方法和应用，该材料所用元素成本低廉，具有全太阳光光谱的吸光能力和低辐射特性；并且由于具有多孔结构，该材料具有极低的热耗散，即低热导率。光照下该材料温度高。不仅如此，该材料还具有良好的稳定性和抗腐蚀能力。能够集中这些特点于一身，这是现有的光热材料所无法企及的。
本发明的金属化合物气凝胶复合材料的制备方法包括如下步骤：将硅源溶解在乙醇中，加入盐酸和去离子水，恒温搅拌，得到二氧化硅溶胶；在以上的溶胶中加入造孔剂和铁源，待以上药品全部溶解后加入稳定剂，然后快速向以上混合溶液中加氨水，溶胶会迅速的凝胶化，得到铁掺杂二氧化硅的凝胶；将此凝胶密封后在恒温环境下老化，然后取出干燥并在马沸炉里空气煅烧得到铁掺杂二氧化硅气凝胶；然后在氢气环境下退火，得到铁硅金属间化合物二氧化硅气凝胶复合材料。将此复合材料在三甲基氯硅烷的正庚烷溶液浸泡，得到具有超疏水性能的复合材料。
采用上述的制备方法的造孔剂可以为聚乙二醇，聚乙烯醇，碳颗粒等；稳定剂为乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺等；硅源为正硅酸乙酯，正硅酸甲酯等；铁源为硝酸铁，氯化铁，醋酸铁，硫酸铁等。铁源与硅源的摩尔比为0.1-1，铁源与三乙醇胺的摩尔比例为1-12。
采用上述的制备方法获得的是铁硅金属间化合物和二氧化硅气凝胶的复合材料。由于材料中的硅铁金属间化合物是二氧化硅气凝胶中掺杂的铁元素和气凝胶本身的硅元素由氢气还原而成，所以获得金属间化合物气凝胶复合材料是金属间化合物均匀分布在二氧化硅气凝胶内部，该复合材料的硅铁金属间化合物中fe/si比例为6-0.1。
由于材料制备一开始为铁掺杂二氧化硅气凝胶，所以最终获得的材料形貌为气凝胶多孔结构。
本发明制备得到的疏水fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料其密度较低，可以达到0.1g·cm-3。fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料在标准太阳光(1kw·m-2)照射下，材料温度可以达到260℃。而疏水fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料能够漂浮在水表面，标准太阳光照射下造成空气-水界面的温度可以达到115℃。目前为止，标准太阳光照射下，报道的光热材料导致的空气-水界面温度最高是68℃(参见ghasemih,nig,marconnetam,loomisj,yercis,miljkovicn,etal.solarsteamgenerationbyheatlocalization[j].naturecommunications.2014,5:44-49.及itoy,tanabey,hanj,fujitat,tanigakik,chenm.multifunctionalporousgrapheneforhigh-efficiencysteamgenerationbyheatlocalization[j].advancedmaterials.2015,27(29):4302-4307.)。所以本发明获得的fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料可以作为优秀的光热转换材料广泛的应用于光热水蒸发、海水淡化、化学物质的分离和提纯等领域。并且疏水fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料能够漂浮在水表面14天且其性能不发生变化，说明这种材料具有稳定抗腐蚀性。
本发明的材料所用元素fe、si分布及来源广泛，在地壳中含量很大，这使得制备成本大大降低。并且此种材料和对环境友好的优点，非常适宜于工业化生产。
由本发明制备得到的疏水fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料可以用于光热转换蒸发水、蒸发海水淡化，一氧化碳催化氧化等热催化领域。
本发明的有益效果是：
1)本发明的复合材料是一种吸光良好的材料；
2)本发明的复合材料是一种防止热耗散性能非常优秀的材料；
3)本发明的复合材料是一种稳定抗腐蚀的材料；
4)本发明的复合材料是在标准太阳光照射下温度超过100℃的材料；
5)本发明的复合材料是一种具有软磁性，易收集可重复利用的材料；
6)本发明的复合材料所用元素来源分布广泛，地壳中含量丰富，简单易得，价格低廉。
7)本发明的复合材料所用元素无毒无害，不对生物和环境造成污染；
8)本发明的材料制备方法简单、容易实施，产量高，可工业应用。
附图说明
图1为光蒸发水的原理图。
图2为fe3si金属间化合物sio2气凝胶(fe3si/sio2气凝胶)复合材料的制备和疏水化流程图。
图3为fe3si/sio2气凝胶复合材料的扫描电镜图片。
图4为fe3si/sio2气凝胶复合材料的高分辨扫描电镜图片；可以发现材料为多孔结构。
图5为fe3si/sio2气凝胶复合材料的xrd图谱；明锐的三个峰为fe3si的峰，23°的宽包代表非晶sio2。
图6为fe3si/sio2气凝胶复合材料的uv图谱；显示出该复合材料可以吸收500-2400纳米的光，即全光谱吸收。
图7为fe3si/sio2气凝胶复合材料的比表面积和孔径大小图；表明该材料的bet比表面积为498m2·g-1，孔径为2-3nm。
图8为fe3si/sio2气凝胶复合材料的热导率曲线；表明在50-400℃范围内热导率都低于0.05w·m-1·k-1。
图9fe3si/sio2气凝胶复合材料的pl图谱；表明在400-750和900-2000nm范围内都没有光辐射，也就是材料在光辐射下不发光。
图10为疏水化fesi2/sio2气凝胶复合材料的透射电子显微镜图片。
图11为fe3si/sio2气凝胶复合材料放在培养皿中经过2个太阳光照射后的照片和红外成像照片；表明该材料在2个太阳光照射下可以到达260℃。
图12为疏水化后fe3si/sio2气凝胶复合材料在水上的照片；表明材料可以悬浮在水面。
图13为光蒸发水的性能测试装置。
图14为疏水化fe3si/sio2气凝胶复合材料放在水面上中经过2个太阳光照射后的照片和红外成像照片；表明该材料在2个太阳光照射下可以使得空气-水界面温度达到115℃。
图15为疏水化fe3si/sio2气凝胶复合材料用于光蒸发水中在水中的温度随时间变化的关系图。
图16为疏水化fe3si/sio2气凝胶光热转换材料用于光蒸发水时蒸发水的质量随时间变化的关系图(无风环境)；水蒸发效率为3.03kg·m-2·h-1，是现有光热材料效率的两倍以上。
图17为疏水化fe3si/sio2气凝胶光热转换材料用于光蒸发水时蒸发水的质量随时间变化的关系图(有风环境)；水蒸发效率为8.82kg·m-2·h-1，是现有光热材料效率的六倍以上。
图18为疏水化fe3si/sio2气凝胶光热转换材料在海水上漂浮两周后用于光蒸发水时蒸发水的质量随时间变化的关系图(无风环境)。
具体实施方式
结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
fe3si金属间化合物sio2气凝胶复合材料：
(1)将10ml正硅酸乙酯溶解在乙醇中，加入300ul的盐酸和600ul去离子水，85℃下搅拌4个小时，得到二氧化硅溶胶；在以上的溶胶中加入10g的peg2000和3g硝酸铁，待以上药品全部溶解后加入六倍于铁的物质的量的三乙醇胺，然后快速向以上混合溶液中加5ml氨水，溶胶会迅速的凝胶化，得到氢氧化铁和二氧化硅的凝胶；将此凝胶密封后在65℃的恒温环境下老化几天，然后取出干燥并在马沸炉里煅烧6小时，条件是5℃每分钟升到500℃，得到铁掺杂二氧化硅气凝胶材料；然后在氢气环境下400℃退火，得到铁硅金属间化合物二氧化硅气凝胶复合材料。将此复合材料在65℃的恒温环境下用质量分数10％的三甲基氯硅烷正庚烷溶液浸泡3天，得到具有超疏水性能的复合材料，
(2)用2个标准太阳光照射样品并用红外热像仪测量温度。
(3)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在无风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(4)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在有风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(5)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，将0.05g样品置于水上两周，在无风环境下测量光蒸发水效率。
本例制得的fe3si金属间化合物sio2气凝胶复合材料其性能的测试如图3-9及图11-18所示，可以看出，该材料在2个标准太阳光照射下造成空气-水界面的温度可以达到115℃，远高于现有报道的光热材料导致的空气-水界面最高温度68℃(参见ghasemih,nig,marconnetam,loomisj,yercis,miljkovicn,etal.solarsteamgenerationbyheatlocalization[j].naturecommunications.2014,5:44-49.及itoy,tanabey,hanj,fujitat,tanigakik,chenm.multifunctionalporousgrapheneforhigh-efficiencysteamgenerationbyheatlocalization[j].advancedmaterials.2015,27(29):4302-4307.)且在无风环境下水蒸发效率为3.03kg·m-2·h-1，是现有光热材料效率的两倍以上，有风环境下水蒸发效率为8.82kg·m-2·h-1，是现有光热材料效率的六倍以上。
实施例2
fe2si金属间化合物sio2气凝胶复合材料：
(1)将8ml正硅酸甲酯溶解在乙醇中，加入300ul的盐酸和600ul去离子水，85℃下搅拌4个小时，得到二氧化硅溶胶；在以上的溶胶中加入0.05g的聚乙烯醇和1.5g氯化铁，待以上药品全部溶解后加入十倍于铁的物质的量的二乙醇胺，然后快速向以上混合溶液中加5ml氨水，溶胶会迅速的凝胶化，得到铁掺杂二氧化硅的凝胶；将此凝胶密封后在70℃的恒温环境下老化几天，然后取出干燥并在马沸炉里煅烧6h，条件是5℃每分钟升到500℃，得到铁掺杂二氧化硅的气凝胶材料；然后在氢气环境下500℃退火，得到铁硅金属间化合物二氧化硅气凝胶光热材料。
(2)将光热材料与四氧化三钴纳米颗粒球磨混合，让四氧化三钴颗粒分布在光热材料表面。在2个标准太阳光下照射，进行一氧化碳催化氧化实验。
(3)所用材料为0.05克，气体量为120sccm，气体成分为1％为一氧化碳，7％为氧气，其余为氩气。在一个太阳光照射下，该材料的温度达到230℃，催化一氧化碳成二氧化碳，使用fid为检测器，其转换效率为98％。
实施例3
fesi2金属间化合物sio2气凝胶复合材料：
(1)将10ml正硅酸甲酯溶解在乙醇中，加入300ul的盐酸和600ul去离子水，85℃下搅拌4个小时，得到二氧化硅溶胶；在以上的溶胶中加入1g醋酸铁和3克碳颗粒并用细胞粉碎机超声分散开，待药品溶解后加入四倍于铁的物质的量的乙醇胺，然后快速向以上混合溶液中加5ml氨水，溶胶会迅速的凝胶化。将此凝胶密封后在65℃的恒温环境下老化几天，然后取出干燥并在马沸炉里煅烧6h，条件是5℃每分钟升到600℃，得到铁掺杂二氧化硅气凝胶材料；然后在氢气环境下550℃退火，得到铁硅金属间化合物二氧化硅气凝胶光热材料。将此材料在65℃的恒温环境下用12％的三甲基氯硅烷正庚烷溶液浸泡3天，得到具有超疏水性能的复合材料。
(2)用标准太阳光照射样品并用红外热像仪测量温度。
(3)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在无风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(4)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在有风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(5)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，将0.05g样品置于水上两周，在无风环境下测量光蒸发水效率。
实施例4
fesi金属间化合物sio2气凝胶复合材料：
(1)将10ml正硅酸乙酯溶解在乙醇中，加入300ul的盐酸和600ul去离子水，85℃下搅拌4个小时，得到二氧化硅溶胶；在以上的溶胶中加入2g硫酸铁，12g的peg10000和六倍于铁的物质的量的三乙醇胺，待药品溶解后快速向以上混合溶液中加5ml氨水，溶胶会迅速的凝胶化。将此凝胶密封后在65℃的恒温环境下老化几天，然后取出干燥并在马沸炉里煅烧6h，条件是5℃每分钟升到600℃，得到铁掺杂二氧化硅气凝胶材料；然后在氢气环境下500℃退火，得到铁硅金属间化合物二氧化硅气凝胶光热材料。将此材料在65℃的恒温环境下用10％的三甲基氯硅烷正庚烷溶液浸泡3天，得到具有超疏水性能的复合材料。
(2)用标准太阳光照射样品并用红外热像仪测量温度。
(3)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在无风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(4)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，在有风环境下将0.05g样品置于水上测量光蒸发水效率。
(5)搭建如图13所示的光蒸发水测试平台，将0.05g样品置于水上两周，在无风环境下测量光蒸发水效率。