一种三维太阳能蒸发材料及其制备方法和应用

本发明涉及界面蒸发材料，尤其涉及一种三维太阳能蒸发材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，人类正面临着迫切的挑战，其中包括淡水资源匮乏、能源危机和环境污染等问题。根据统计数据，海水占据了地球水资源的97％。为了缓解全球水资源短缺问题，海水淡化技术被广泛认可为一种有效的解决方法。然而，传统的海水淡化方法如热蒸馏和反渗透耗费大量能源并产生二氧化碳，进一步加剧了能源危机和环境污染。为了应对这些问题，界面太阳能驱动海水淡化系统在2014年被提出，因其高蒸发速率和环境友好性而受到广泛关注。界面太阳能驱动海水淡化系统通常由光热材料、隔热层和水传输器等组成。光热材料的作用是吸收太阳光并将其转化为热能，以促进水的蒸发。隔热层的作用是限制热能从光热材料向水蒸汽界面中的大量水分散失。水传输器则用于将水输送到光热材料表面，以进行蒸发过程。光热材料主要分为等离子体、半导体、碳材料和聚合物四类。这些材料具有各自独特的特性和优势，在界面太阳能驱动海水淡化系统中扮演重要角色。作为一种黑色聚合物，聚吡咯具备优异的太阳光吸收能力、环境友好性、易于负载在其他材料表面以及价格低廉等特点，因此常被用于制备光热转化材料。

2、目前，太阳能驱动的界面水蒸发面临三个问题：(1)高蒸发效率；(2)在海水淡化过程中实现自清洁并获得恒定蒸发效率；(3)价格低廉以满足实际应用需求。因此，设计一种能克服这三个问题的太阳能蒸发器仍然是一项巨大的挑战。

3、近年来，为了提高蒸发速率，研究者们提出了多种创新的设计方案。相较于依赖太阳能的二维蒸发表面，三维蒸发器可以捕获周围环境的能量，从而促进蒸发过程，并显著提升蒸发效率。因此，采用三维蒸发器设计来实现高效蒸发被视为一种有效的途径。在海水淡化领域，三维界面太阳能蒸发材料展现了巨大的潜力，其出色的蒸发效率功不可没。然而，在基于界面光热蒸发的水盐分离过程中，存在严重的盐结晶和垢积问题，导致盐浓度达到饱和。这一现象会阻碍太阳光的吸收，并且限制水的充足供应，进而导致光热转化效率迅速下降，甚至器件失效。

4、基于目前三维界面太阳能蒸发材料存在的缺陷，有必要对此进行改进。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种三维太阳能蒸发材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的缺陷。

2、第一方面，本发明提供了一种三维太阳能蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：

3、将铁盐加入至水中，得到第一溶液；

4、将吡咯单体加入至水中，得到第二溶液；

5、将第一溶液滴加至第二溶液中，于冰水浴下搅拌得到第三溶液；

6、将海绵浸泡于第三溶液中，于冰水浴下反应，得到三维太阳能蒸发材料。

7、优选的是，所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，所述海绵内部具有多个垂直的孔道，所述孔道的孔径为10～500μm。

8、优选的是，所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，所述第一溶液中铁盐浓度为5～15g/l；

9、所述第二溶液中吡咯单体的浓度为1～5g/l。

10、优选的是，所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，所述第一溶液滴加至第二溶液的步骤中，第一溶液和第二溶液的体积比为(10～30):(400～600)。

11、优选的是，所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，所述铁盐包括氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种。

12、优选的是，所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，将第一溶液滴加至第二溶液中，于冰水浴下搅拌1～3h得到第三溶液；

13、将海绵浸泡于第三溶液中，于冰水浴下反应3～9h，得到三维太阳能蒸发材料。

14、第二方面，本发明还提供了一种三维太阳能蒸发材料，采用所述的制备方法制备得到。

15、第三方面，本发明还提供了一种所述的制备方法制备得到的三维太阳能蒸发材料或所述的三维太阳能蒸发材料在制备太阳能蒸发器中的应用。

16、第四方面，本发明还提供了一种太阳能蒸发器，包括：

17、基底；

18、至少一个所述的制备方法制备得到的三维太阳能蒸发材料或所述的三维太阳能蒸发材料；

19、所述三维太阳能蒸发材料固定于所述基底上。

20、第五方面，本发明还提供了一种所述的三维太阳能蒸发材料或所述的太阳能蒸发器在淡化海水中的应用。

21、本发明的三维太阳能蒸发材料及其制备方法和应用，相对于现有技术具有以下有益效果：

22、1、本发明的三维太阳能蒸发材料的制备方法，以海绵作为原材料，通过与吡咯单体和铁盐反应进行制备，通过简单的溶液反应，将海绵进行聚吡咯负载，从而提高材料的吸光性能并改善其光热转化能力；本发明制备的三维太阳能蒸发材料具备低扭曲孔洞(即垂直的孔道)导水结构，能够通过毛细作用迅速的使水充满到材料内部，从而在海水淡化过程中防止盐分在孔洞内部沉积，实现了盐分自洁功能，保证了稳定的海水淡化能力。此外，由于其内部低扭曲孔洞导水结构的存在，它还能够抵抗20wt％的盐水。本发明的三维太阳能蒸发材料的制备方法，通过简单的溶液反应制备，具备高效率和低成本的特点，可进行大规模生产，为缓解全球淡水短缺、能源危机和环境污染问题提供解决方案；

23、2、本发明的太阳能蒸发器的优点包括：负载聚吡咯的海绵的吸光性能显著提高；暴露高度为6厘米的负载聚吡咯的海绵的蒸发效率能达到3.67千克/平方米/小时；负载聚吡咯的海绵内部的低扭曲度孔洞结构使得其可以抗20wt％的盐水，蒸发速率可以达到3.00千克/平方米/小时；负载聚吡咯的海绵制备方法简单，可以实现大规模的生产，满足实际应用需求；该太阳能蒸发器使用废弃拖把海绵为原料，淡化海水的同时还能减缓环境的压力；这种材料为解决全球淡水短缺、能源危机和环境污染问题提供了有前途的解决方案；本发明采用简单的溶液浸泡方法制备聚吡咯-海绵三维太阳能蒸发器，可实现大规模生产，稳定性好，价格低廉可以满足市场需求。

技术特征：

1.一种三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述海绵内部具有多个垂直的孔道，所述孔道的孔径为10～500μm。

3.如权利要求1所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述第一溶液中铁盐浓度为5～15g/l；

4.如权利要求1所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述第一溶液滴加至第二溶液的步骤中，第一溶液和第二溶液的体积比为(10～30):(400～600)。

5.一种如权利要求1～4任一所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐包括氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种。

6.如权利要求1所述的三维太阳能蒸发材料的制备方法，其特征在于，将第一溶液滴加至第二溶液中，于冰水浴下搅拌1～3h得到第三溶液；

7.一种三维太阳能蒸发材料，其特征在于，采用如权利要求1～6任一所述的制备方法制备得到。

8.一种如权利要求1～6任一所述的制备方法制备得到的三维太阳能蒸发材料或权利要求7所述的三维太阳能蒸发材料在制备太阳能蒸发器中的应用。

9.一种太阳能蒸发器，其特征在于，包括：

10.如权利要求7所述的三维太阳能蒸发材料或权利要求9所述的太阳能蒸发器在淡化海水中的应用。

技术总结
本发明提供了一种三维太阳能蒸发材料及其制备方法和应用。本发明的制备方法，以海绵作为原材料，通过与吡咯单体和铁盐进行制备，通过简单的溶液反应，将海绵进行聚吡咯负载，从而提高材料的吸光性能并改善其光热转化能力；本发明制备的三维太阳能蒸发材料具备低扭曲孔洞(即垂直的孔道)导水结构，能够通过毛细作用使材料内部迅速的充满水，从而在海水淡化过程中防止盐分在孔洞内部沉积，实现了盐分自洁功能，保证了稳定的海水淡化能力。本发明的三维太阳能蒸发材料的制备方法，通过简单的溶液反应制备，具备高效率和低成本的特点，可进行大规模生产，为缓解全球淡水短缺、能源危机和环境污染问题提供解决方案。

技术研发人员：李明,吴宇鸣,熊俊,杨智慧,闵雪,彭俊军,王伟明,陈燚柄,李有权
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15