一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用

本发明属于太阳能驱动水蒸发海水淡化，具体涉及一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前淡水资源短缺，传统水净化方法，大多数依赖于高能耗和整体集中的设备和设施，因此限制了它们在实际中的应用。海水或废水直接暴露于阳光下，由于水的吸光性差，水分的蒸发仅发生在水的表面，热损失严重，据数据显示，自然光热转换效率低至30～45％，在自然蒸发过程中太阳能不能被有效地积累和利用。因此要实现高效的水蒸气产生效率，就必须依靠光热转化材料，将热量聚集在空气—水的界面。

2、研究者们开发了许多具有广泛太阳能吸收率的光热转换材料，使光热转换效率大幅度提高到90％以上，所以选择一种合适的光热转化材料来增强对光的吸收，进而提高光热转化效率是非常必要的。近年来常用的光热转化材料主要有碳材料、无机半导体、有机聚合物、导电聚合物等。目前，碳基材料由于其广泛的可用形式，超高的比表面积和良好的光吸收性能，成为理想的候选材料。过去的大量研究发现，人工合成的多级结构复合光热转化膜虽然可以在组装过程中被组合起来实现高效的蒸发，但会增加蒸发器的复杂性，影响实际应用。mxene作为一类新兴的二维纳米材料，内部光热转化效率可达100％，且在较宽波段内都有良好的光吸收。表面含有大量的亲水基团，可用于构建快速转运水的亲水通道，非常适用于制备光热转化材料。但由于其高导热系数、宽波段反射和易氧化的特点受到了很大限制。二硫化钼(mos2)作为一种典型的过渡金属二硫化物，与石墨烯和氧化石墨烯相比具有更低的导热性，更有利于形成局域热集中。气凝胶由于其多孔结构，能够为光热转换提供水运输和蒸汽逃逸通道，得到广泛关注。但它的机械强度较差、成型能力弱、耐久性差，在制备过程中会出现结块、破碎，稳定性不足，且需要海绵或者泡沫等作为载体。因此，增强其力学性能、光热转化性能及实用性是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。

2、本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：

3、本发明的目的之一是提供一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：

4、s1：以碳毡为基底，利用真空导入工艺，注入壳聚糖与交联剂的混合溶液，浸润碳毡后老化交联，随后冷冻干燥，得到改性碳毡；

5、s2：将改性碳毡重复多次浸渍mxene分散液，浸渍后干燥，然后再进行下一次浸渍，得到复合膜；

6、s3：在复合膜表面通过水热反应原位生长mos2层，得到碳纤维基太阳能光热高效转化材料。

7、进一步限定，s1中碳毡由废弃碳纤维制成，厚度为2-10mm。

8、进一步限定，s1中交联剂为环氧氯丙烷、戊二醛或双醛淀粉。

9、进一步限定，s1中混合溶液由壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液通过热混合获得。

10、更进一步限定，热混合温度为45-60℃。

11、更进一步限定，壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的浓度为1-2wt％，乙酸的浓度为1-10wt％。

12、更进一步限定，交联剂水溶液的浓度为0.5-1vol％。

13、更进一步限定，壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液的体积比为(2-5)：1。

14、进一步限定，s1中交联温度为45-60℃，时间为20min-15h。

15、进一步限定，s1中冷冻干燥20-50h。

16、进一步限定，s2中mxene分散液的浓度为1-6mol/l，单次浸渍时间为5-30min，浸渍和干燥过程重复1-10次。

17、进一步限定，s3中生长mos2层的钼源与硫源的摩尔比为1：(2-4)。

18、更进一步限定，钼源为钼酸铵，硫源为硫脲。

19、进一步限定，s3中水热反应温度为200-240℃，时间为18-30h。

20、本发明的目的之二在于提供一种按上述方法制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。

21、本发明的目的之三在于提供一种界面蒸发装置，所述界面蒸发装置包含上述碳纤维基太阳能光热高效转化材料。

22、本发明的目的之四在于提供一种界面蒸发装置在海水蒸发淡化领域的应用。

23、本发明与现有技术相比具有的显著效果：

24、(1)本发明选用废弃的碳纤维材料，经过加工处理制备成碳纤维毡，在增强光热转化材料力学性能的同时解决碳纤维的回收再利用问题。同时，采用低密度、低表面能的碳材料作为骨架结构，能够为材料整体提供浮力，同时它的轻重量、高强度、高模量能够提升材料整体的力学性能。

25、(2)本发明以碳纤维毡为基底来进行热交联，既能保持原有的碳骨架结构，构建粗糙表面及内部多孔结构网络，又能增大复合膜的强度和韧性，增强材料的力学性能。同时碳纤维与壳聚糖形成相互促进，相互贯通的气体通道，有助于光捕获、热管理和水输送，提高水蒸气蒸发量。

26、(3)本发明的方法，在mxene与mos2之间形成强界面相互作用，将热量聚集在空气-水界面，实现对太阳光的高效吸收，持续进行海水蒸发，通过冷凝等作用将水蒸气收集，从而达到淡化的目的。此外，mxene表面含有大量的亲水基团，可用于构建快速转运水的亲水通道，同时，粗糙多孔的表面可以减少太阳光的反射，丰富的孔隙能显著增加蒸发面积，强吸光性能及高光热转化效率能增强材料对太阳光的吸收。

27、(4)本发明的太阳能光热高效转化材料可放置在界面蒸发装置内，无需任何浮动辅助设备，在表面辐照产生蒸汽，净化水的操作简单易行，不会对环境造成污染，光热转换效果良好，能持续应用于海水蒸发，在海水淡化方向具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中碳毡由废弃碳纤维制成，厚度为2-10mm，交联剂为环氧氯丙烷、戊二醛或双醛淀粉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中混合溶液由壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液通过热混合获得，壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖的浓度为1-2wt％，乙酸的浓度为1-10wt％，交联剂水溶液的浓度为0.5-1vol％，壳聚糖乙酸溶液和交联剂水溶液的体积比为(2-5)：1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中交联温度为45-60℃，时间为20min-15h，冷冻干燥20-50h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中mxene分散液的浓度为1-6mol/l，单次浸渍时间为5-30min，浸渍和干燥过程重复1-10次。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中生长mos2层的钼源与硫源的摩尔比为1：(2-4)，水热反应温度为200-240℃，时间为18-30h。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，钼源为钼酸铵，硫源为硫脲。

8.权利要求1-7任一项所述的方法制得的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。

9.一种界面蒸发装置，其特征在于，它包含权利要求8所述的碳纤维基太阳能光热高效转化材料。

10.权利要求9所述的界面蒸发装置在海水蒸发淡化领域的应用。

技术总结
一种兼具优异机械性能的碳纤维基太阳能光热高效转化材料及其制备方法和应用。本发明属于太阳能驱动水蒸发海水淡化技术领域。本发明为了解决现有太阳能光热高效转化材料无法兼顾力学性能和高效光热转化性能的技术问题。本发明选用废弃的碳纤维制备碳毡，以碳毡为基底进行热交联，既保持了碳骨架结构，构建粗糙表面及内部多孔结构网络，又能增大复合膜的强度和韧性。同时碳纤维与壳聚糖形成相互促进，相互贯通的气体通道，有助于光捕获、热管理和水输送。此外，在MXene与MoS<subgt;2</subgt;之间形成强界面相互作用，将热量聚集在空气‑水界面，实现对太阳光的高效吸收，持续进行海水蒸发，通过冷凝等作用将水蒸气收集，从而达到淡化的目的。

技术研发人员：金琳,张琳,敖玉辉,王艳,郭宗伟,王钊,尚垒,陈小沛
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15