一种气凝胶界面光热蒸发材料及其制备方法与应用与流程

本技术实施例涉及三元前驱体行业中的废料回收利用和废水蒸发、淡化，例如一种气凝胶界面光热蒸发材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、目前，相关三元前驱体生产工艺中由于技术的局限性和产线的不稳定性，不可避免的使得生产过程中产生了大量大粒径、大颗粒的三元前驱体，这些大颗粒三元前驱体无法达到特定性能，因此需要过筛来筛选去除这些大颗粒的三元前驱体来确保理化性能不受影响。

2、随着产能不断提高，产生的大颗粒废料不断增多、堆积，不仅导致了资源的浪费，也导致了空间的占用、环境的污染，还存在一定的安全隐患。但是，大颗粒三元前驱体废料凭借其保持了原有的非实心结构，内部存在大量短小而丰富的真空通道的特点，从而具有优异的毛细管效应，并且在高温碳化后会在原有基础上产生不同大小孔径，二者结合下在废水蒸发中可以达到水质高效传输的目的，所需原料来自于日常生产，无需额外成本，也解决了大颗粒废料的堆积。

3、另一方面，大颗粒三元前驱体废料本身的光吸收效率和光热转化率较低，使得其本身并不能作为良好的气凝胶界面光热蒸发材料使用，并且其自身的易吸水性导致在使用时不能长时间稳定漂浮在液面上，同时无法长期形成固有形态的气凝胶块体。

4、相关研究发现，石墨烯具有疏水性能好、热导率高、热量传递快的特性，能够吸收较宽波长范围内的太阳光，在废水光热蒸发中可出色的携带和运输载流子，是一种常用的光热蒸发材料。

5、因此，如何合理利用三元前驱体大颗粒废料的结构特点，设计具有吸光性能和光热蒸发性能的石墨烯气凝胶，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

2、本技术实施例提供了一种气凝胶界面光热蒸发材料及其制备方法与应用，本技术中采用了新能源行业三元前驱体生产当中堆积的三元前驱体大颗粒(d＞40μm)废料为基底，极大程度降低了制备气凝胶原料的成本，并且降低了对具备管道结构和毛细管效应基底的需求度，实现了三元前驱体工艺生产废物的再利用，提高了资源利用效率；经过石墨烯的包覆后得到气凝胶光热蒸发材料，可用于低盐废水蒸发中，起到绿色环保、节能降本的作用。

3、第一方面，本技术实施例提供了一种气凝胶界面光热蒸发材料，所述气凝胶界面光热蒸发材料包括石墨烯、碳化三元前驱体和氧化物纳米粒子；

4、所述石墨烯包覆于碳化三元前驱体的表面，所述氧化物纳米粒子负载于石墨烯包覆的碳化三元前驱体的表面。

5、其中，石墨烯形成包覆层，碳化三元前驱体为基底，所述气凝胶界面光热蒸发材料为二者形成的复合物。

6、石墨烯具有疏水性能好、热导率高和热量传递快的特性，能够吸收较宽波长范围内的太阳光，在废水光热蒸发中可出色的携带和运输载流子；负载的氧化物纳米粒子可以增强石墨烯表面的光吸收效率。碳化三元前驱体作为基底材料，由于三元前驱体的内部存在大量短小而丰富的真空通道的特点，具有优异的毛细管效应，经过碳化后会在原有基础上产生不同大小孔径，在废水蒸发中可以达到水质高效传输的目的。

7、本技术通过在碳化三元前驱体上包覆石墨烯并负载氧化物纳米粒子，三种材料在空间结构上相互配合，得到具有优异吸光性能和光热蒸发性能的气凝胶材料，可以应用于低盐废水蒸发，有利于规模化和高效化。

8、优选地，所述碳化三元前驱体为经过碳化处理的三元前驱体颗粒废料。

9、优选地，所述三元前驱体颗粒废料为镍钴锰氢氧化物，其中镍钴锰元素质量比为ni:co:mn＝(20～25％):(20～25％):(30～35％)，例如可以是22％:20.5％:32.5％、20％:20％:30％、20％:25％:30％、25％:20％:30％或25％:25％:35％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、优选地，所述三元前驱体颗粒废料为三元前驱体制备过程中产生的废料，其粒径在40μm以上，例如可以是40μm、45μm、50μm、55μm或60μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、本技术中采用了新能源行业三元前驱体生产当中堆积的三元前驱体颗粒废料(粒径范围为d＞40μm)为基底的原料，极大程度降低了制备气凝胶原料的成本，并且降低了对具备管道结构和毛细管效应基底的需求度，实现了三元前驱体工艺生产废物的再利用，提高了资源利用效率。

12、其中，三元前驱体颗粒废料自身为非实心结构，内部存在短小而丰富的真空通道，作为行业内共识，三元前驱体存在真空孔道是通过三元前驱体的横切面电镜图明显观察到，三元前驱体颗粒废料经过碳化后会进一步产生丰富的孔道，二者共同作用下具有优异的毛细管效应，利用其毛细管效应构建了具备高效水质传输的毛细管网络，有效提高了光热蒸发过程的水体输送效率，进而直接提高了光热蒸发效率。

13、三元前驱体颗粒废料作为气凝胶基底经过石墨烯的包覆后，不仅增强了保热能力，减少蒸发过程中的热量损失，并且通过纳米粒子的负载来增强石墨烯包覆后的三元前驱体大颗粒废料本身对光的吸收能力从而提高光热蒸发效率，而且石墨烯的疏水性也使得三元前驱体大颗粒废料气凝胶不会自由分散在水体中，能长时间以固定块状稳定漂浮于液面上，有利于规模化和高效化的光热蒸发应用。

14、优选地，所述气凝胶界面光热蒸发材料还包括聚合物包覆层，所述聚合物包覆层修饰于所述石墨烯包覆的碳化三元前驱体的表面。

15、优选地，所述聚合物包覆层包括聚多巴胺包覆层。

16、聚多巴胺包覆层起到提供高活性官能团的作用。

17、优选地，所述氧化物纳米粒子包括二氧化钛纳米粒子。

18、二氧化钛纳米粒子起到增强材料的吸光性，增强了光吸收效率，提高了光热蒸发速率。

19、第二方面，本技术实施例提供了一种根据第一方面所述气凝胶界面光热蒸发材料的制备方法，所述制备方法包括：

20、(1)制备碳化三元前驱体；

21、(2)混合氧化石墨烯和所得碳化三元前驱体，得到氧化石墨烯包覆碳化三元前驱体，再与还原剂混合，待反应结束后，得到石墨烯包覆碳化三元前驱体；

22、(3)混合纳米氧化物和所得石墨烯包覆碳化三元前驱体，进行水热反应，得到负载材料；

23、(4)将所得负载材料加热形成水凝胶后，冷冻干燥，得到所述气凝胶界面光热蒸发材料。

24、优选地，步骤(1)所述碳化三元前驱体的制备方式包括：在保护气体气氛下，对三元前驱体颗粒废料进行煅烧，得到所述碳化三元前驱体。

25、经过碳化后，三元前驱体颗粒废料在保留原有结构的基础上，富含更多孔道，这是源自煅烧碳化过程中，一次颗粒由片状变为较小的块状，表面趋于光滑，颗粒间孔隙增大而形成孔道。

26、优选地，所述煅烧的升温速率为3～5℃/min，例如可以是3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min或5℃/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

27、优选地，所述煅烧的温度为500～800℃，例如可以是500℃、550℃、600℃、700℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

28、煅烧温度在300～500℃时，孔隙略微开始增加；500～800℃时，颗粒间孔隙增大而形成孔道；800℃时达到临界值；超过800℃孔隙会继续不断增大，导致三元前驱体的球形开始大量裂解成不规则的碎块，破坏原有结构。

29、优选地，所述煅烧的时间为2～4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

30、优选地，步骤(2)所述混合氧化石墨烯和所得碳化三元前驱体为混合氧化石墨烯水溶液和所得碳化三元前驱体。

31、优选地，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为3～10mg/ml，例如可以是3mg/ml、5mg/ml、7mg/ml、9mg/ml或10mg/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

32、优选地，所述碳化三元前驱体和氧化石墨烯水溶液的固液比为1:(4～6)g/ml，例如可以是1:4g/ml、1:4.5g/ml、1:5g/ml、1:5.5g/ml或1:6g/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

33、优选地，步骤(2)所述混合氧化石墨烯和所得碳化三元前驱体后，还包括搅拌和抽滤。

34、优选地，所述搅拌的时间为5～10h，例如可以是5h、6h、7h、8h、9h或10h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

35、优选地，步骤(2)所述还原剂包括硼氢化钾溶液、硼氢化钠溶液或硼氢化锂溶液中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括硼氢化钾溶液和硼氢化钠溶液的组合，硼氢化钠溶液和硼氢化锂溶液的组合，硼氢化钾溶液和硼氢化锂溶液的组合。

36、优选地，所述还原剂的浓度为0.5～3mol/l，例如可以是0.5mol/l、1mol/l、1.5mol/l、2mol/l或3mol/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

37、优选地，步骤(2)所述氧化石墨烯包覆碳化三元前驱体和还原剂的固液比为1:(50～100)g/ml，例如可以是1:50g/ml、1:60g/ml、1:70g/ml、1:80g/ml、1:90g/ml或1:100g/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

38、优选地，步骤(2)所述反应的时间为8～12h，例如可以是8h、9h、10h、11h或12h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

39、优选地，步骤(3)之前还包括将聚合物修饰于所述石墨烯包覆碳化三元前驱体的表面。

40、优选地，所述修饰的方式包括：混合多巴胺溶液、缓冲液和所述石墨烯包覆碳化三元前驱体，调节ph并搅拌，抽滤烘干后得到聚合物修饰料。

41、优选地，所述多巴胺溶液的浓度为1～3mg/ml，例如可以是1mg/ml、1.5mg/ml、2mg/ml、2.5mg/ml或3mg/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

42、优选地，所述缓冲液包括0.05～0.15mol/l的tris缓冲液，例如可以是0.05mol/l、0.08mol/l、0.1mol/l、0.12mol/l或0.15mol/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

43、优选地，所述石墨烯包覆碳化三元前驱体和多巴胺溶液的固液比为1:100～200g/ml，例如可以是1:100g/ml、1:120g/ml、1:150g/ml、1:180g/ml或1:200g/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

44、优选地，所述调节ph为8～13，例如可以是8、9、10、11、12或13，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

45、优选地，所述搅拌的时间为8～12h，例如可以是8h、9h、10h、11h或12h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

46、优选地，所述烘干的温度为40～60℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

47、优选地，步骤(3)所述混合还包括碱性溶液。

48、优选地，所述石墨烯包覆碳化三元前驱体和碱性溶液的固液比为1:(10～50)g/ml，例如可以是1:10g/ml、1:20g/ml、1:30g/ml、1:40g/ml或1:50g/ml，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

49、优选地，所述碱性溶液包括氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化钡中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括氢氧化钠和氢氧化钙的组合，氢氧化钙和氢氧化钡的组合，氢氧化钠和氢氧化钡的组合。

50、优选地，所述碱性溶液的浓度为8～10mol/l，例如可以是8mol/l、8.5mol/l、9mol/l、9.5mol/l或10mol/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

51、二氧化钛在高温高压条件下易溶于强碱性溶液中，在高活性官能团的作用下，实现二氧化钛纳米粒子原位生长在石墨烯包覆的炭化三元前驱体大颗粒废料表面，增强其吸光性。

52、优选地，步骤(3)所述石墨烯包覆碳化三元前驱体和纳米氧化物的质量比为(4～6):1，例如可以是4:1、4.5:1、5:1、5.5:1或6:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

53、优选地，步骤(3)所述水热反应的温度为120～160℃，例如可以是120℃、130℃、140℃、150℃或160℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

54、优选地，步骤(3)所述水热反应的时间为12～24h，例如可以是12h、15h、18h、20h或24h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

55、优选地，步骤(4)所述加热为水浴加热。

56、优选地，步骤(4)所述加热的时间为3～5h，例如可以是3h、3.5h、4h、4.5h或5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

57、优选地，步骤(4)所述加热的温度为70～90℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃或90℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

58、第三方面，本技术实施例提供了一种根据第一方面所述气凝胶界面光热蒸发材料的应用，所述气凝胶界面光热蒸发材料用于低盐废水蒸发。

59、本技术所提供的气凝胶界面光热蒸发材料用于低盐废水蒸发中，可以起到绿色环保和节能降本的作用。

60、由以上技术方案，本技术实施例的有益效果如下：

61、本技术实施例通过在碳化三元前驱体上包覆石墨烯并负载氧化物纳米粒子，三种材料在空间结构上相互配合，得到具有优异吸光性能和光热蒸发性能的气凝胶材料，可以应用于低盐废水蒸发，有利于规模化和高效化。

62、在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。