本发明涉及太阳能水蒸气蒸发技术领域，具体而言，本发明提供一种用于高效太阳能水蒸气蒸发的二维导电高分子太阳光吸收体的制备方法。
背景技术：
水是生命之源，是一切生命体赖以生存和发展的基础。虽然地表面积的71％都被水覆盖，但这些主要都是盐水，淡水含量只占到2.5％。而这些淡水主要都以冰川和地下水的形式出现，所有的湖泊，河流和沼泽地加起来只占地球总淡水储量的0.3％。而我国更是一个严重缺水的国家。我国的淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。除了固有的水资源储量不足外，随着人口不断增长和经济快速发展所带来的严重的水资源污染也加剧了我国的水资源匮乏。我国浅层地下水资源污染比较普遍，大约有50％的地区遭到一定程度的污染，约一半城市市区的地下水污染比较严重。在我国面临如此严峻的水资源危机的今天，如何快速有效的进行海水淡化以及污水处理是目前亟需解决的问题。
另一方面，太阳能作为新型清洁能源而引起越来越多的关注。相比于传统的化石能源，因其具有储备量大，无污染等优点，而被广泛应用于太阳能发电，太阳能热水器以及太阳能海水淡化。传统的太阳能海水淡化是通过直接加热大块水体来驱动海水发生相变过程，即产生蒸发与冷凝。然而该过程不仅存在着大量的能量损失，而且加热未参与相变的海水也导致了能量浪费，导致这种太阳能海水淡化的蒸发效率一直都偏低，远远不能满足人们的需求。为了减少能量损失并提高蒸发效率，人们开始对界面太阳能水蒸气蒸发进行探索。界面太阳能水蒸气蒸发通过漂浮在水面上的，能够有效实现局部的太阳光捕捉。这使得太阳能加热只发生在水体表面，不仅大大减少了体系的能量损失，同时避免了加热大块水体，使蒸发效率保持在非常高的水平。英国《自然·通讯》(naturecommunications，2015年第5卷第4449页)报道了使用剥离石墨和碳泡沫双层结构的，实现了在1000w/m2(即太阳光到达地球表面的功率)的光强下64％的蒸发效率，以及10000w/m2的光强下85％的蒸发效率，比起传统的太阳能海水淡化的蒸发效率有着巨大的提高。现在已报道的太阳能水蒸气蒸发的可以根据使用材料分为两大类别，一类是通过将碳材料诸如氧化石墨烯，还原氧化石墨烯，碳纳米管等制成气凝胶得到。这类制作工艺复杂，难以大规模应用。另一类是将金属纳米粒子比如金，铝，钯等通过物理气相沉积到多孔载体上得到。这类因使用贵金属而导致成本高昂，而且其自身的柔韧性很差，很难实现大规模商业化使用。另一方面，二维材料因其优秀的物理性质和光学性质而越来越被广泛应用在各个领域，并展现出了优秀的光学吸收和光热转换性能。因而，将传统的三维材料二维化成为解决时下诸多问题有效的手段。
因此，开发出一种制备具有高太阳能水蒸气蒸发性能且低成本的二维材料的方法具有重要的意义。
技术实现要素：
从以上阐述的技术问题出发，本发明的目的是提供一种利用廉价且来源广泛的原料来制备用于太阳能水蒸气蒸发的二维导电高分子太阳光吸收体的方法。本发明人经过深入细致的研究，完成了本发明。
在本发明的一个方面，提供了一种制备用于太阳能水蒸气蒸发的二维导电高分子太阳光吸收体的制备方法，所述方法包括：在多孔片状载体上，在氧化剂和溶剂存在下或者在氧化剂与溶剂形成的溶液存在下，在-5℃至5℃的温度下使吡咯发生聚合反应，然后干燥，由此形成所需的二维导电高分子太阳光吸收体。
根据本发明的某些优选实施方案，通过将所述氧化剂和溶剂或所述氧化剂与溶剂形成的溶液加载到所述多孔片状载体上，然后再将吡咯滴加到所述多孔片状载体上来进行所述聚合反应。
根据本发明的某些优选实施方案，所述氧化剂选自过硫酸铵和氯化铁中的一种或多种。
根据本发明的某些优选实施方案，所述溶剂选自水、盐酸和硫酸中的一种或多种。
根据本发明的某些优选实施方案，所述多孔片状载体选自纸基片材、纺织物片材、无纺织物片材和多孔聚合物片材中的一种或多种。
根据本发明的某些优选实施方案，所述纸基片材是无尘纸、纯棉纸巾和定性滤纸中的一种或多种。
根据本发明的某些优选实施方案，所述聚合反应进行1-5分钟。
根据本发明的某些优选实施方案，所述方法还包括以所获得的二维导电高分子太阳光吸收体为基底，并且在所述基底上，将所述聚合反应和烘干的步骤重复进行一次或多次，由此获得多层二维导电高分子太阳光吸收体。
根据本发明的某些优选实施方案，所述多层二维导电高分子太阳光吸收体为2-9层。
与本领域中的现有技术相比，本发明的优点在于：
1.根据本发明的二维导电高分子太阳光吸收体制备方法简单，原材料来源广、安全且廉价，适合大规模生产。
2.根据本发明的二维导电高分子太阳光吸收体太阳光吸收效率可达到95％，在1000w/m2的光强下73.4％的蒸发效率，相较于传统球状导电高分子在诸如光学吸收和光热转换性能方面有巨大提升。
3.根据本发明的结构层数可调控的多层二维导电高分子太阳光吸收体有着随层数变化的蒸发效率，例如在四层二维导电高分子太阳光吸收体时，可高达90.2％。
4.根据本发明的结构层数可调控的多层二维导电高分子太阳光吸收体具有优异的稳定性和柔韧性，例如在经过1000次的弯折和揉捏后仍能保持良好的蒸发效率。
5.相对于传统的膜分离或蒸馏过程，根据本发明的方法制备的多层二维导电高分子太阳光吸收体还在海水淡化及污水处理方面具有明显更优异的海水淡化和去污净水的效果。
附图说明
图1a显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在地表太阳辐射光谱范围内(295-2500nm)的光透过率的曲线图，其中单独的无尘纸作为对照(即聚吡咯高分子层数为0)；
图1b显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在地表太阳辐射光谱范围内(295-2500nm)的光反射率的曲线图，其中单独的无尘纸作为对照(即聚吡咯高分子层数为0)；
图2a显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在测试水蒸汽蒸发实验中在1小时内在1000w/m2太阳光照射下的温度升高的曲线图，其中单独的无尘纸作为对照(即聚吡咯高分子层数为0)；
图2b显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在测试水蒸汽蒸发实验中在1小时内在1000w/m2太阳光照射下的水蒸发速率以及相应水蒸发效率的曲线图，其中单独的无尘纸作为对照(即聚吡咯高分子层数为0)；
图3a显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在测试柔韧性实验中进行弯折和揉捏并释放的过程示意图；
图3b显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在进行0至1000次弯折和释放后的温度升高和水蒸发量变化结果的曲线图；
图3c显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在进行0至1000次揉捏和释放后的温度升高和水蒸发量变化结果的曲线图；
图4a显示了在测试海水淡化实验中利用本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在对海水进行淡化前后的海水中主要离子(即na+、ca2+、mg2+、k+和b3+)浓度的变化的柱状图；
图4b显示了在测试污水处理实验中处理前两种污水(甲基橙和亚甲基蓝)的吸收值及利用根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体处理后得到的冷凝水的吸收值。
具体实施方式
应当理解，在不脱离本公开内容的范围或精神的情况下，本领域技术人员能够根据本说明书的教导设想其他各种实施方案并能够对其进行修改。因此，以下的具体实施方式不具有限制性意义。
根据本发明的公开内容，在多孔片状载体上，在氧化剂和溶剂存在下，或者直接在氧化剂和溶剂形成的溶液存下，使吡咯发生(氧化)聚合反应形成聚吡咯，然后干燥，即可得到可用于高效太阳能水蒸气蒸发的太阳光吸收体，其中聚吡咯是一种成熟而且便宜的导电高分子，其固有的光热性质使得其能够捕捉太阳光并转化为热能；同时在多孔片状载体形成的二维聚吡咯(即聚吡咯片层)相对于传统的球型聚吡咯具有更高的光热转换效率，能够更有效地吸收太阳光来产生水蒸气，实现更高的水蒸气蒸发效率。此外，根据本发明的方法制备的还具有优秀的稳定性和柔韧性，其能够经受超过1000次的弯折和揉捏后仍然具有良好的光热转换效率和水蒸气蒸发效率。
具体地，本发明提供一种制备用于太阳能水蒸气蒸发的二维导电高分子太阳光吸收体的方法，所述方法包括：在多孔片状载体上，在氧化剂和溶剂存在下或者在氧化剂与溶剂形成的溶液存在下，在-5℃至5℃的温度下使吡咯发生聚合反应，然后干燥，由此形成所需的二维导电高分子太阳光吸收体。这种方法使得导电高分子在聚合的过程中，会沿着一个平面生长，而得到不同于传统球状导电高分子的二维导电高分子太阳光吸收体。
优选地，通过将氧化剂和溶剂或氧化剂与溶剂形成的溶液加载到多孔片状载体上，然后再将吡咯滴加到多孔片状载体上来进行所述聚合反应。
在本发明方法中，对所使用的多孔片状载体的材料没有特别限制，只要该载体是多孔性的，即例如能够吸附氧化剂和溶剂或者能够吸附氧化剂与溶剂形成的溶液；同时该载体是片状的，即具有一定的表面积以使通过吡咯的聚合反应形成的高分子能够在该载体上以层或薄膜的形式形成，从而能够用于太阳能水蒸气蒸发。优选地，多孔片状载体选自纸基片材、纺织物片材、无纺织物片材和多孔聚合物片材中的一种或多种。更优选地，多孔片状载体选自无尘纸、纯棉纸巾和定性滤纸中的一种或多种。此外，在本发明方法中，多孔片状载体可以为圆形、方形、矩形、三角形等性质，例如为直径约5cm的圆形无尘纸。
在本发明方法中，利用氧化剂来引发吡咯的聚合反应。本发明对于氧化剂没有特别限制，只要其可引发吡咯的聚合反应即可，例如为常见的氧化剂。优选地，所述氧化剂选自过硫酸铵和氯化铁中的一种或多种。此外，对于氧化剂的添加量没有特别限制，本领域技术人员能够确定其适合的量。例如，基于吡咯的重量，氧化剂的添加量优选为约50-200％。
优选地，在本发明方法中，使用的溶剂选自水、盐酸和硫酸中的一种或多种。如上提及的，该溶剂可以与氧化剂分开或单独地加载到载体上，也可以与氧化剂形成溶液后再加载到载体上。此外，对于溶剂的添加量没有特别限制，只要其能够完全溶解氧化剂即可或者能够与氧化剂形成溶液即可。
在本发明方法中，聚合反应在低温(约-5℃至5℃)下进行，优选在约0℃的温度下进行。优选地，本发明的聚合反应可以通过将载体铺放在冰块上来维持聚合反应所需的低温要求。
在本发明方法中，尽管对聚合反应的时间没有特别要求，但优选地聚合反应在低温下进行1-5分钟，优选1-2分钟。
为了获得最终的用于太阳能水蒸气蒸发的二维导电高分子太阳光吸收体，在聚合反应结束后，需要进行干燥处理。在本发明方法中，对于干燥处理的方式和装置没有特别要求，例如可以通过在烘箱中在20-100℃下的温度下进行烘干，也可以通过吹风机在常温下用热风烘干。
优选地，在本发明方法中，制得的为多层，即在载体上方具有多个聚吡咯层。由此，优选地，本发明的方法还包括以所获得的二维导电高分子太阳光吸收体为基底，在所述基底上将所述聚合反应和烘干的步骤重复进行一次或多次，由此获得多层二维导电高分子太阳光吸收体。更优选地，多层二维导电高分子太阳光吸收体为2-9层，例如4层。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物化特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。
实施例
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。需要指出，这些描述和实施例都是为了使本发明便于理解，而非对本发明的限制。本发明的保护范围以所附的权利要求书为准。
在本发明中，除非另外指出，所采用的载体和试剂均为商购产品，直接使用而没有进一步纯化处理。
测试方法
在本公开内容中，对在以下实施例中得到的二维导电性高分子的多种性质进行了测试。具体测试方法描述如下。
太阳光谱吸收测试方法
将根据本发明实施例中得到的二维导电性高分子，使用紫外可见近红外分光光度计(厂家岛津公司，型号uv-3600)测试在地表太阳辐射光谱范围内(295-2500nm)的透过率和反射率。
光热升温及水蒸气蒸发测试方法
将根据本发明实施例中得到的二维导电性高分子漂浮在盛有水的烧杯内。用太阳光模拟器(厂家newport，型号94063a)模拟功率为1000w/m2的太阳光。分别用红外相机(厂家ici，型号7320)和电子天平(厂家奥豪斯，型号se-se402f)记录测试体系在1h内的温度和总质量的变化。
在本文中，“蒸发效率”是指单位时间内蒸发的水蒸气量乘以相应的显热(4.2jgk-1)及相变焓(2256jg-1)后的积与入射太阳光光强的比值。
柔韧性和稳定性测试方法
将根据本发明实施例中得到的二维导电性高分子分别通过手动折叠和揉捏进行约1000次的弯折和揉捏实验，通过上述光热升温及水蒸气蒸发测试方法，记录弯折和揉捏过程中的温度和总质量的变化。
海水淡化实验方法
将根据本发明实施例中得到的二维导电性高分子漂浮在盛有海水的烧杯内。通过上述光热升温及水蒸气蒸发测试方法，用干净的石英片收集冷凝在表面的水。通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪(厂家珀金埃尔默公司，型号optima7300dv)测试原有海水与冷凝水中的离子含量或浓度。
污水处理实验方法
将根据本发明实施例中得到的二维导电性高分子漂浮在盛有含有甲基橙或亚甲基蓝(充当污染物)的水溶液的烧杯内。通过光热升温及水蒸气蒸发测试方法，用干净的石英片收集在表面的冷凝水。通过紫外可见近红外分光光度计(厂家岛津公司，型号uv-3600)分别测试原来含有甲基橙或亚甲基蓝的水溶液与冷凝水的吸收光谱。
实施例1
在50ml烧杯中，通过将1.2g过硫酸铵(购自阿拉丁公司)溶解在10ml去离子水中，配制成120mg/ml的过硫酸铵水溶液，并将所获得的过硫酸铵水溶液通过移液管滴加到直径为5cm的无尘纸(0609d无尘纸)上，直至整个无尘纸被过硫酸铵水溶液润湿。
然后，将被润湿后的无尘纸平铺在光滑平整的冰块表面上，接着通过移液管将吡咯(购自阿拉丁公司)逐滴滴加在该无尘纸上以进行聚合反应，在1min后，肉眼可以看到该无尘纸的表面变黑(即覆盖一个黑色层)，表明聚合反应完成。
用镊子或手将覆有黑色层的无尘纸从冰块上取下，并用去离子水洗涤两次，然后在通过吹风机烘干，得到本发明的1层二维导电高分子太阳光吸收体(简称为1层高分子)。
实施例2-5
以与实施例1类似的方式进行实验，不同之处在于，以实施例1中烘干得到的1层二维导电高分子太阳光吸收体为基底，在该基底上将实施例1的聚合和烘干步骤分别重复1、3、4和6次，从而分别得到2层、4层、5层和7层二维导电高分子太阳光吸收体(分别简称为2层高分子、4层高分子、5层高分子和7层高分子)。
测试例1
根据上述的太阳光谱吸收测试方法，对以上实施例1-5中制备的各个二维导电高分子太阳光吸收体以及无尘纸分别进行测试。图1a显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在地表太阳辐射光谱范围内(295-2500nm)的光透过率的曲线图，其中无尘纸作为对照；图1b显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在地表太阳辐射光谱范围内(295-2500nm)的光反射率的曲线图，其中无尘纸作为对照。由图1a和1b可知，根据本发明获得的二维导电高分子太阳光吸收体对太阳光的透射和反射相对于无尘纸有着明显降低，且对太阳光的透射和反射随着层数的增加而降低，即吸收增加，最大吸收率接近100％，证明了其优秀的太阳光捕捉能力。
测试例2
根据上述的光热升温及水蒸气蒸发测试方法，对以上实施例1-5中制备的各个二维导电高分子太阳光吸收体以及无尘纸分别进行测试。图2a显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体以及无尘纸在测试水蒸汽蒸发实验中在1小时内在1000w/m2太阳光照射下的温度升高的曲线图，其中无尘纸和作为对照。由图2a可以看出，根据本发明获得的二维导电高分子太阳光吸收体相对于无尘纸有明显的温度升高，且随着二维导电高分子太阳光吸收体的层数的增加，温度升高逐渐增加，并且在二维导电高分子太阳光吸收体的层数为4层时达到最大。图2b显示了根据本发明的实施例1-5制备的单层或多层二维导电高分子太阳光吸收体在测试水蒸汽蒸发实验中在1小时内在1000w/m2太阳光照射下的水蒸发速率以及相应水蒸汽蒸发效率的曲线图，其中无尘纸作为对照。由图2b可以看出，二维导电高分子太阳光吸收体具有优异的水蒸气蒸发能力和蒸发效率，在二维导电高分子太阳光吸收体的层数为4层时的蒸发效率最高，超过90％。这些结果证实了，根据本发明的方法所制备的不同层数的二维导电高分子太阳光吸收体具有优秀的光热转化能力和水蒸气蒸发能力。
测试例3
根据上述的柔韧性和稳定性测试方法，利用实施例3中制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体进行测试。图3a显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在测试柔韧性实验中进行弯折和揉捏并释放的过程示意图；图3b显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在进行0至1000次弯折和释放后的温度升高和水蒸发量变化结果的曲线图；图3c显示了根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在进行0至1000次揉捏和释放后的温度升高和水蒸发量变化结果的曲线图。由图3b和3c可以看出，在1000次的弯折或揉捏后，根据本发明的方法所制备的二维导电高分子太阳光吸收体的性能基本保持在最初的水平，证明了其结构的柔韧性和性能的稳定性。
测试例4
根据上述的海水淡化实验方法及污水处理实验方法，利用实施例3中制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体进行测试。图4a显示了在测试海水淡化实验中利用本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体在对海水进行淡化前后的海水中主要离子浓度的变化的柱状图。由图4a可以看出，利用本发明的方法所制备的二维导电高分子太阳光吸收体进行淡化处理后的冷凝水中，离子含量都保持在极低的水平。远远低于传统的膜分离和蒸馏后的离子含量(1-500mg/l)。图4b显示了在测试污水处理实验中处理前两种污水(甲基橙和亚甲基蓝)的吸收值及利用根据本发明的实施例3制备的4层二维导电高分子太阳光吸收体处理后得到的冷凝水的吸收值。由图4b可以看出，相比于含有甲基橙和亚甲基蓝的水溶液的强吸收峰，利用本发明的方法所制备的二维导电高分子太阳光吸收体进行处理后的冷凝水基本上没有任何吸收峰，且吸收值基本为零。这些结果充分证明了根据本发明制得的二维导电高分子太阳光吸收体能够用于太阳能海水淡化和污水处理，并且具有优异的海水淡化和污水处理能力。
实施例6
在500ml烧杯中，通过将1.2g氯化铁粉末(购自阿拉丁公司)溶解在10ml盐酸(购自国药试剂公司；浓度36％)中，得到氯化铁盐酸的混合溶液，并将所获得的混合溶液通过移液管滴加到直径为5cm的定性滤纸(购自国药试剂公司)上，直至整个定性滤纸被该混合溶液润湿。
然后，将被润湿后的定性滤纸平铺在光滑平整的冰块表面上，接着通过移液管将吡咯(购自阿拉丁公司)逐滴滴加在该定性滤纸上以进行聚合反应，在2min后，肉眼可以看到该定性滤纸的表面变黑(即覆盖一个黑色层)，表明聚合反应完成。
用镊子或手将覆有黑色层的定性滤纸从冰块上取下，并用去离子水洗涤两次，然后在通过吹风机烘干，得到本发明的1层二维导电高分子太阳光吸收体(简称为1层高分子)。
实施例7-10
以与实施例6类似的方式进行实验，不同之处在于，以实施例6中烘干得到的1层二维导电高分子太阳光吸收体为基底，在该基底上将实施例6的聚合和烘干步骤分别重复1、3、4和6次，从而分别得到2层、4层、5层和7层二维导电高分子太阳光吸收体(分别简称为2层高分子、4层高分子、5层高分子和7层高分子)。
对以上实施例6-10所获得的高分子分别进行上述测试例1-4中的相同测试，得到与上述实施例1-5中获得的高分子的相同或类似结果，表明根据本发明的方法制备的不仅具有优秀的太阳光捕捉能力、优秀的光热转化能力和水蒸气蒸发能力，还具有优秀的稳定性和柔韧性，并且具有优异的海水淡化和污水处理能力。
尽管本发明中已经示出和描述了具体的实施方式，但本领域技术人员将懂得，可以用各种替代的和/或等同的实施方式代替所示和所描述的具体实施方式，而不脱离本发明的范围。本申请意欲包括对本发明中讨论的具体实施方式的任何改进或更改。因此，本发明仅受限于权利要求及其等同物。
本领域技术人员应当理解，在不背离本发明范围的情况下，可以进行多种修改和改变。这样的修改和改变意欲落入如后附权利要求所限定的本发明的范围之内。