一种多孔的双网络空气水凝胶及其制备和应用

本发明属于光热转化，具体涉及一种多孔的双网络空气水凝胶及其制备和应用。

背景技术：

1、淡水资源作为人类赖以生存的自然资源面临严重短缺的问题。非常规水在水资源总量中占比巨大。海水作为最常见的非常规水源，约占地球水资源总量的97.5％。处理并利用如此庞大的水资源是解决淡水资源短缺的关键。太阳能，作为地球所有外部能量的来源，是一种取之不尽，用之不竭的环保可再生能源。界面光热转化水蒸发技术可高效地将太阳光能转化为热能，通过加热气液界面的水体并加以收集来实现海水淡化。在现有的光热转化基体材料中，水凝胶由于具有良好的亲水性以及多孔的内部通道结构，更加适用于光热水蒸发对水分的吸收以及传输。

2、传统的提高光热管理能力的材料结构设计和器件受限于稳定性差、盐结垢、微生物污染等缺点。现有的构建高孔纳米结构的光热层、构筑微观3d结构等方法已被运用于增强光吸收能力。由此可见对水凝胶的结构进行合理的设计加工是提升水蒸发速率的关键手段。

技术实现思路

1、针对上述技术中存在的问题，本发明提供了一种多孔的双网络空气水凝胶及其制备方法和应用，该多孔的双网络空气水凝胶具有有效的光吸收能力以及光热转化能力，同时提高了太阳光能以及热能的利用效率，可以达到良好的水蒸发效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种多孔的双网络空气水凝胶，包括生物大分子和导电高分子，其中所述导电高分子聚合在所述生物大分子的分子链中；

4、该多孔的双网络空气水凝胶由生物大分子、导电高分子、交联剂和氧化剂通过反应得到；

5、优选的，所述生物大分子选自壳聚糖、明胶、海藻酸钠、纤维素、甲壳素和丝素蛋白中的一种或几种的混合物。

6、优选的，所述导电高分子选自聚吡咯、聚乙炔、聚苯胺、聚多巴胺、聚噻吩、聚苯乙炔和聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(pedot/pss)中的一种或几种的混合物。

7、优选的，所述交联剂选自氧化葡聚糖、甲醛、乙二醛、戊二醛、1,6-己二异氰酸酯、氯化钙、硫酸钙、丁二烯二环氧化物、顺丁烯二酸酐、多巴胺盐酸盐、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺、n-羟基琥珀酰亚胺中的一种或几种的混合物。

8、优选的，所述氧化剂选自过硫酸铵、碘化钾、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸钾、氯化铁中的一种或几种的混合物。

9、优选的，该双网络空气水凝胶中所述生物大分子和导电高分子的质量比为(10-2000)：(0.01-10)，更优选的质量比为(10-200)：(0.05-5)。

10、本发明还提供了上述多孔的双网络空气水凝胶的制备方法。

11、本发明所提供的多孔的双网络空气水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

12、步骤一：将生物大分子、氧化剂和导电高分子分散在溶剂中，进行聚合反应得到生物大分子-导电高分子共聚物；

13、步骤二：将步骤一所述共聚物与生物大分子(与步骤一所述的生物大分子可相同也可不同)混合，并加入初次反应的交联剂，持续搅拌，使混合液产生丰富的空气泡，迅速将所述混合液倒入模具中，进行初次交联反应并固定空气泡；

14、步骤三：步骤二得到的产物与二次反应的交联剂进行二次交联反应；

15、步骤四：用水浸泡洗去未反应的原料，从而得到所述多孔的双网络空气水凝胶。

16、优选的，所述步骤一中，所述生物大分子、氧化剂和导电高分子的质量比为(10-200)：(0.02-10)：(0.05-5)；所述溶剂可为水；所述聚合反应的反应条件为0-60℃搅拌0.5-24小时。

17、所述生物大分子-导电高分子共聚物具体可为壳聚糖接枝聚苯胺共聚物。

18、优选的，所述步骤二中，所述生物大分子-导电高分子共聚物与所述生物大分子的质量比为(1-20)：(0.1-1)；

19、所述生物大分子在双网络空气水凝胶中的浓度为1wt.％～20wt.％。

20、所述导电高分子在双网络空气水凝胶中的浓度为0.005wt.％～2wt.％。

21、优选的，所述步骤二中，所述交联反应的反应条件为：20-1000℃(具体如37℃)交联反应0.5-2小时(具体如1.5h)、或0.2-10w/m2紫外辐照0.5-60分钟。

22、优选的，所述步骤三中，所述交联反应的反应条件为：-20-1000℃(具体如37℃)交联反应0.5-72小时(具体如48h)、或0.2-10w/m2紫外辐照0.5-60分钟。

23、上述步骤二和步骤三中所使用的交联剂可以相同或不同。

24、上述步骤二中，所述搅拌的转速可为4000-10000rpm。

25、优选的，所述步骤四中，具体可将交联后的产物用去离子水透析3次，每次透析时长8h，以除去未反应的原料。

26、上述方法制备得到的多孔的双网络空气水凝胶也属于本发明的保护范围。

27、本发明还保护上述多孔的双网络空气水凝胶应用。

28、所述应用为该水凝胶在制备光热转化材料中的应用，或在光热转化水处理领域中的应用。

29、进一步的，所述水凝胶可以持续的对海水、市政污水等非常规水体进行水蒸发。

30、本发明还保护一种光热转化设备。

31、所述设备包括本发明上述提供的多孔的双网络空气水凝胶。

32、该设备可包括：工业纯水设备、商用净水机、海水淡化设备、光热转化蒸发器等。

33、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

34、本发明提供的用于太阳-光热水净化的多孔的双网络空气水凝胶，具有强机械性能、脱盐和防污能力。多孔的双网络空气水凝胶能够长时间进行光热转化水蒸发过程。通过导电高分子实现吸收太阳光能并进行光热转化过程，并通过引入的空气泡减少入射光的折射率，增加用于水蒸发的能量输入。同时空气泡可以减少热传导，使热能集中在双网络空气水凝胶内部，有效降低双网络空气水凝胶的热能损耗。这些特性使得双网络空气水凝胶有效的提高了光利用效率、光热转化效率和水分蒸发速率，可以持续的进行水蒸发过程，可大规模应用于光热转化水蒸发。

技术特征：

1.一种多孔的双网络空气水凝胶，包括生物大分子和导电高分子，其中所述导电高分子聚合在所述生物大分子的分子链中。

2.根据权利要求1所述的多孔的双网络空气水凝胶，其特征在于：所述多孔的双网络空气水凝胶由生物大分子、导电高分子、氧化剂和交联剂通过反应得到。

3.根据权利要求1或2所述的多孔的双网络空气水凝胶，其特征在于：

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多孔的双网络空气水凝胶，其特征在于：所述双网络空气水凝胶中所述生物大分子和导电高分子的质量比为(10-2000)：(0.01-10)，优选的质量比为(10-200)：(0.05-5)。

5.权利要求1-4中任一项所述的多孔的双网络空气水凝胶的制备方法，包括下述步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，所述生物大分子、氧化剂和导电高分子的质量比为(10-200)：(0.02-10)：(0.05-5)；所述溶剂为水；所述聚合反应的反应条件为0-60℃搅拌0.5-24小时；

7.权利要求5或6所述方法制备得到的多孔的双网络空气水凝胶。

8.权利要求1-4中任一项所述的多孔的双网络空气水凝胶或权利要求7所述的多孔的双网络空气水凝胶在制备光热转化材料中的应用。

9.权利要求1-4中任一项所述的多孔的双网络空气水凝胶或权利要求7所述的多孔的双网络空气水凝胶在光热转化水蒸发领域中的应用。

10.一种光热转化设备，包括权利要求1-4中任一项所述的多孔的双网络空气水凝胶或权利要求7所述的多孔的双网络空气水凝胶。

技术总结
本发明公开了一种多孔的双网络空气水凝胶及其制备方法与应用。本发明采用生物大分子接枝导电高分子共聚物为基体材料，高速搅拌引入空气泡制造多孔结构以增强光热转化效率；同时双网络的交联作用增强了双网络空气水凝胶的机械性能。该多孔的双网络空气水凝胶制备工艺简单、可规模化生产、并且实现了对水凝胶体系机械性能的自由调节。通过导电高分子实现吸收太阳光能，实现光热转化，并通过空气引入的中空结构减少入射光的折射率，进而增强光吸收能力。同时材料内部的多孔结构可以减少热传导，使热能集中在双网络空气水凝胶内部，有效降低热能损耗，实现高效界面水蒸发。该双网络空气水凝胶可应用于光热转化水蒸发领域。

技术研发人员：耿洪亚,李潇睿,王鹏旭,陆倩芸,代洪亮,王新刚
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12