具有梯度孔的太阳能蒸发器及其制备方法

本发明涉及蒸发器，尤其涉及一种具有梯度孔的太阳能蒸发器及其制备方法。

背景技术：

1、随着人口的不断增加，淡水资源短缺的问题收到广发关注，淡水资源是人类生存不可或缺的物质之一，但是目前可利用的地下水和湖泊、河床淡水仅占地球水资源总量的0.77％，且随着工业的发展，工业排放造成的水污染使淡水缺乏问题更加严重。海水淡化是解决水资源短缺的重要途径之一。在所有的可再生能源中，太阳能被认为是最丰富的能源，因此太阳能驱动的界面蒸发器在许多淡水制备技术中脱颖而出，被认为是缓解水危机最有前景、最环保的策略。近年来，由于太阳能蒸发器具有节约能源和低成本等优点，已成为领域内研究的重点。太阳能蒸发器的最大优点是其多孔结构提供了较大的表面积，在太阳光的照射下表层吸收足够的光，表面温度上升使得蒸气溢出，产生足够的水蒸气从而达到收集水的目的。

2、到目前为止，行业内已经设计和开发了很多具有多孔结构的太阳能蒸发器。例如，发明专利(申请号为202110126848.9)公开了一种玉米淀粉/海藻酸钠/mxene复合水凝胶的制备及在海水淡化中的应用，是将玉米淀粉、海藻酸钠、mxene溶于去离子水中，得到混合溶液，搅拌混合溶液使玉米淀粉糊化，然后加入交联剂进行交联，得到玉米淀粉/海藻酸钠/mxene复合水凝胶；该方法采用生物质材料与吸光材料相结合，具有绿色无污染、成本低廉的优点；但是，虽然该复合水凝胶具有较好的亲水性和吸光性，但是其孔结构较为单一，这种单一的中空孔结构使得水的传输效率和蒸发速率较低，在实际应用中不占优势。

3、另外，大多数报道的制造高质量蒸发器的方法都很复杂，蒸发器的输水通道不具优势，水的传输速率较差，因此蒸气在蒸发器的孔隙结构中的扩散受到限制，被认为是影响当下进一步提高太阳能蒸发器产水能力的最大问题。另外，目前多数蒸发器自身的隔热性能比较差，导致蒸发速率较低，通常需要多步骤处理，并在高温或高真空等特殊环境下完成，所涉及的时间和精力都很大，成本较高，不适合工业化大规模制备。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的具有梯度孔的太阳能蒸发器及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有梯度孔的太阳能蒸发器及其制备方法，选用层片结构的二维纳米材料作为原料，在电场效应下向正极移动，或在磁场中利用磁性纳米颗粒的磁吸效应带动二维材料移动，进而利用二维材料自身的层片结构及大量纳米级毛细通道，对蒸发器的孔径大小进行调节，形成梯度孔结构，以成为传输水的理想通道，得到水的传输速率高、光热性能好、热量损失小的太阳能蒸发器。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种具有梯度孔的太阳能蒸发器的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将二维纳米材料分散液、磁性纳米颗粒与海藻酸钠混合，机械搅拌后得到混合溶液；所述混合溶液中，所述海藻酸钠的质量百分浓度为0.5％～1％；所述二维纳米材料为层片结构，厚度为1～5nm；

4、s2、将步骤s1的所述混合溶液置于模具中，在所述模具的外部构建平行电场或在模具正上方放置磁铁构建磁场，处理2～6min后，立即置于液氮中冷冻20～40min；

5、s3、将步骤s2中冷冻后的材料进行冷冻干燥，即得具有梯度孔的太阳能蒸发器。

6、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述混合溶液中，所述二维纳米材料的质量百分浓度为10％～60％，所述磁性纳米颗粒的质量百分浓度为0.5％～1％。

7、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述平行电场的电压控制为10～20v。

8、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述磁铁的磁场强度为3000gs；所述磁铁的下表面与所述模具的上表面之间的距离为2～6cm。

9、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述二维纳米材料包括mxene、石墨烯、黑磷中的一种或多种，所述二维纳米材料优选为mxene。

10、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述磁性纳米颗粒为磁性铁氧化物纳米粒子，优先为四氧化三铁粒子。

11、作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述冷冻干燥的工艺为将材料在-40～-50℃下冷冻24h，再在-50～-60℃下冷冻干燥36～72h。

12、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述机械搅拌的时间为20～28h；所述混合溶液中的溶剂为水。

13、本发明还提供了一种由上述中任一项所述的制备方法制备的具有梯度孔的太阳能蒸发器，所述太阳能蒸发器为由层片结构的二维纳米材料、磁性纳米颗粒与海藻酸钠构成的气凝胶，所述太阳能蒸发器具有微米级梯度孔结构。

14、作为本发明的进一步改进，所述梯度孔结构具有三维互通的整体孔道结构，所述梯度孔结构的孔径在垂直维度由上到下逐渐变大，为所述太阳能蒸发器提供超快水传输通道。

15、作为本发明的进一步改进，所述太阳能蒸发器的表面太阳能吸收率达到97％以上。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明的具有梯度孔的太阳能蒸发器及其制备方法，首先将二维纳米材料分散液、磁性纳米颗粒与海藻酸钠混合，得到混合溶液；将混合溶液置于模具中，在模具的外部构建平行电场或竖直磁场，处理一定时间后立即置于液氮中冷冻；最后将冷冻后的材料进行冷冻干燥，即得具有梯度孔的太阳能蒸发器。本发明选用层片结构的二维纳米材料作为原料，在构建电场后，电场效应使二维纳米材料向正极移动，或构建磁场后利用磁性纳米颗粒的磁吸效应带动二维纳米材料移动，进而利用二维纳米材料自身的层片结构及大量纳米级毛细通道，对蒸发器的孔径大小进行调节，形成了梯度孔结构，成为传输水的理想通道，得到水的传输速率高、光热性能好、热量损失小的太阳能蒸发器，在拓宽太阳能蒸发器结构方面的特性具有重要意义；且本发明的制备工艺简单、条件易控、成本低廉、能量消耗少，在海水淡化、蒸汽发电、废水净化等领域具有广阔的应用前景。

18、2、本发明的制备方法中，在电场下利用了二维纳米材料具有超高电导率的特性，在磁场中将二维纳米材料与磁性纳米颗粒混合后利用了磁性纳米颗粒的磁吸效应，使得均匀分布在海藻酸钠基体中的二维纳米材料向着特定方向(正极或靠近磁铁方向)移动，使其在靠近正极或磁铁的区域发生一定聚集，二维纳米材料的空间浓度分布变小，使得冷冻干燥后该区域的孔径较小，而距离正极或磁铁越远的区域，二维纳米材料空间浓度分布变大，得到的气凝胶中该区域的孔径较大，从而制备出了具有梯度孔的太阳能蒸发器。另外，该太阳能蒸发器中的二维纳米材料与磁性纳米颗粒在海藻酸钠基体中同样呈梯度分布，使得该蒸发器应用时，表面因二维纳米材料与磁性纳米颗粒所形成的孔洞比较小，光进行多次反射，使得光吸收性能优异，光热性能极好，提高了太阳能蒸发器的光热转化效率，进而提高了蒸发器的蒸发速率。

19、3、本发明选用二维层片结构的mxene，具有高电导率，内部含有大量的纳米毛细通道，其在电池效应下可发生强响应；且二维层片结构的mxene与磁性铁氧化物纳米粒子的均匀混合，有利于磁性铁氧化物纳米粒子在磁场作用下移动时控制mxene发生移动，进而在海藻酸钠基体中构建了不同空间浓度分布的mxene，得到了梯度孔结构。mxene表面含有亲水基团，有利于构建快速输送水的亲水通道，实现超快水传输；另外，mxene还具有优异的光热转化效率，在太阳能蒸发器中能发挥良好的光吸收作用。本发明在蒸发器中还引入了海藻酸钠与mxene复合，提高了蒸发器的机械性能和弹性，进而提高了太阳能蒸发器的实用性能。

20、4、本发明的具有梯度孔的太阳能蒸发器，表层孔径小分布密集，整个结构在垂直维度上孔径越来越大，该结构的优势在于可以在蒸发过程中快速传输水，有利于蒸汽的逃逸；且孔径尺度保持在微米级范围内，具有较大的比表面积，在促进水分快速输送和蒸发的同时，还具有优异的隔热性能；梯度孔结构使得不同梯度层间的隔热性能不同，更进一步的减少了热量的损失，从而提高了蒸发器的蒸发速率。本发明制备太阳能蒸发器的表面光吸收率达到了97％以上，具有优异的光热性能。