一种多级碳点组装体光热转换材料及其制备方法和应用

本发明涉及功能复合材料，具体是一种多级碳点组装体光热转换材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碳基材料可以广泛地吸收整个太阳光谱，释放热量。碳基材料包括炭黑、碳纳米管(cnts)、石墨烯、氧化石墨烯(go)、还原氧化石墨烯(rgo)、多孔碳等光热材料因其光吸收广、稳定性高、重量轻、成本低而为人所熟知。纳米碳材料具有许多优点，无有毒金属，性能稳定，可以很容易地制成各种结构，具有不同规模的多孔结构，适合太阳能热应用。

2、碳点作为新兴的碳基纳米材料，是一种尺寸低于10nm的碳纳米颗粒，通常是由无定型和晶态的碳核组成，在碳核表面含有不同的含氧官能团，例如羟基，羧基等。碳点主要由碳氢氧氮等元素组成，而碳元素的含量相对较高。碳点有着许多优秀的特点，例如成本低廉、合成简便、水溶性良好、优异的生物相容性、无毒或低毒性以及显著的电子给体和受体能力，这些性质的组合使得碳点的广泛应用成为可能，碳点表面丰富的基团为其表面的化学修饰及进一步组装提供了可能，这促进了多功能碳基复合材料的合成，并为碳点的性质调控提供了新的思路和方法。

3、目前，基于碳点的光热转换材料在能源、光电等领域展示出良好的应用前景，现有碳点的吸收主要集中在紫外-可见区，近红外区的吸收难于实现，这限制了碳点材料对太阳光能的利用。因此，开发吸收覆盖整个太阳光谱区的碳点对碳点在光热转换、太阳能利用等领域的发展非常重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，首先将碳点单体通过氢键和静电相互作用进行第一步组装，形成具有长波长吸收的超碳点；随后将超碳点与金属阳离子通过配位作用进一步组装，形成吸收覆盖整个紫外-可见-近红外区的多级碳点组装体，其具体包括以下步骤：

4、将柠檬酸与有机胺进行混合，并添加至溶剂中进行超声分散，然后进行高温反应，得到碳点；

5、将碳点组装成一级组装体，得到超碳点；

6、将超碳点分散在溶剂中，得到超碳点溶液；

7、将超碳点溶液与无机金属盐溶液进行混合均匀，并离心得到沉淀物；

8、将沉淀物进行洗涤离心，并进行冻干处理，得到所述多级碳点组装体光热转换材料。

9、优选地，所述有机胺为尿素、氨水和双缩脲中的一种或多种。

10、优选地，所述柠檬酸与有机胺的质量比为1:(1-4)。

11、优选地，高温反应的温度为160-180℃；将碳点组装成一级组装体的方法为：将碳点冻干后置于潮湿富氧的环境中进行组装，或者将碳点置于40-60℃的温度下加热进行组装。

12、优选地，所述溶剂为去离子水。

13、优选地，所述无机金属盐溶液中的阳离子选择能与羧基配位的金属阳离子，具体包括但不限于铁离子、银离子和钙离子中的一种或多种。

14、优选地，所述无机金属盐溶液的浓度为0.2-2mol/l；所述超碳点溶液的浓度为10-25mg/ml。

15、优选地，所述超碳点溶液与无机金属盐溶液的体积比为(3-7):1。

16、本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制得的多级碳点组装体光热转换材料。

17、本发明实施例的另一目的在于提供一种上述多级碳点组装体光热转换材料作为可见-近红外光热转换试剂在能源转化中的应用。

18、本发明实施例提供的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，采用一级组装体超碳点与金属离子进行相互作用，可在常温下组装，不需要严苛的反应条件或添加额外反应物，因此制备工艺简单、成本低、易操作；本发明实施例制备的多级碳点组装体光热转换材料具有宽光谱吸收的特点，其吸收覆盖紫外-可见-近红外波段，在极短光照时间内可以快速升温，在模拟水蒸发实验中表现出很高的蒸发速率和效率，在海水淡化、污水处理、热电等领域具有广泛的应用前景；另外，由于金属阳离子与碳点表面官能团的配位作用即多级组装，本发明实施例制备的多级碳点组装体光热转换材料相比于通过氢键和静电相互作用形成的超碳点具有更高的结构及化学稳定性，并且在附着到基底上时，不易脱落和泄露，相比于一级组装体而言更适合用于水蒸发等过程。

技术特征：

1.一种多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，首先将碳点单体通过氢键和静电相互作用进行第一步组装，形成具有长波长吸收的超碳点；随后将超碳点与金属阳离子通过配位作用进一步组装，形成吸收覆盖整个紫外-可见-近红外区的多级碳点组装体，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述超碳点的制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述有机胺为尿素、氨水和双缩脲中的一种或多种；所述柠檬酸与有机胺的质量比为1:(1-4)。

4.根据权利要求2所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，高温反应的温度为160-180℃；将碳点组装成一级组装体的方法为：将碳点冻干后置于潮湿富氧的环境中进行组装，或者将碳点置于40-60℃的温度下进行组装。

5.根据权利要求1或2所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水。

6.根据权利要求1所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述无机金属盐溶液中的阳离子选择能与羧基配位的金属阳离子。

7.根据权利要求1或6所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述无机金属盐溶液的浓度为0.2-2mol/l；所述超碳点溶液的浓度为10-25mg/ml。

8.根据权利要求7所述的多级碳点组装体光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述超碳点溶液与无机金属盐溶液的体积比为(3-7):1。

9.一种采用权利要求1-8中任一项所述制备方法制得的多级碳点组装体光热转换材料。

10.一种如权利要求9所述的多级碳点组装体光热转换材料作为可见-近红外光热转换试剂在能源转化中的应用。

技术总结
本发明公开了一种多级碳点组装体光热转换材料及其制备方法和应用，其属于功能复合材料技术领域，其中，该制备方法包括以下步骤：将柠檬酸与有机胺进行混合，并添加至溶剂中进行超声分散，然后进行高温反应，得到碳点；将碳点组装成一级组装体，得到超碳点；将超碳点溶液与无机金属盐溶液进行混合均匀，并离心得到沉淀物；将沉淀物进行洗涤离心，并进行冻干处理，得到多级碳点组装体光热转换材料。该多级碳点组装体光热转换材料对太阳光的吸收覆盖紫外‑可见‑近红外波段，在极短光照时间内可以快速升温，在模拟水蒸发实验中表现出很高的蒸发速率和效率，在海水淡化、污水处理、热电等领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：李迪,李磊
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9