一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种光热材料的制备方法及应用。

背景技术

淡水是人类赖以生存的物质基础，太阳能成本低廉、清洁、可再生。捕获太阳能在水-空气界面对水进行加热蒸发获得水蒸气，从而获得淡水，大大提高了光热转换效率。因此，制备性能优良的界面光热材料具有重要意义。但是，现有光热转换材料存在制备方法复杂、转换效率低和循环性能差等缺点。

发明内容

本发明的目的是要解决现有光热转换材料存在制备方法复杂、转换效率低和循环性能差的缺点，而提供一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法及应用。

一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、铁网预处理：

将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓盐酸中超声，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗，最后干燥，得到预处理后的铁网；

二、制备碳纳米管/铁网光热材料：

将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，得到碳纳米管/铁网光热材料；

三、表面处理：

将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法。

一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。

本发明的优点：

(1)、本发明制备方法简单可行，制备速度快，成本低廉；

(2)、本发明制备的光热材料具有优异的疏水性；

(3)、本发明制备的光热转换材料外观为黑色，有利于将光能转换为热能；

(4)、本发明利用铁网和三聚氰胺在高温下反应，在铁网表面生长碳纳米管，作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水，本发明制备的碳纳米管/铁网光热材料是具有高水蒸发速率、低成本、高循环稳定性的光热转换材料；

(5)、当光照强度为1kW/m

本发明可获得一种碳纳米管/铁网光热材料。

附图说明

图1是碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

图2为碳纳米管/铁网光热材料表面温度随时间的变化曲线，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

图3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“●”为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“◆”为循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，

图4为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度红外成像图；

图5为XRD图，图中1为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，2为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；4为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

图6为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图7为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图8为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图9为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图10为实施例三步骤二制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图；

图11为实施例三步骤三制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

具体实施方式一：本实施方式一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、铁网预处理：

将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓盐酸中超声，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗，最后干燥，得到预处理后的铁网；

二、制备碳纳米管/铁网光热材料：

将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，得到碳纳米管/铁网光热材料；

三、表面处理：

将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的铁网规格为80目筛网，剪裁后的铁网直径为2cm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的浓盐酸的浓度为1.5mol/L～2mol/L。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中将剪裁后的铁网进入到浓盐酸中超声5min～10min，超声功率为200W～300W，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗10min～20min，超声功率为200W～300W，最后使用吹风机吹干，得到预处理后的铁网。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中预处理后的铁网与三聚氰胺质量比为1:5。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的高温处理的温度分别为600℃～900℃。其它步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的高温处理的时间为1.5h～2h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中油酸的质量与碳纳米管/铁网光热材料的直径比为1.5g:2cm。其它步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中使用油酸蒸汽进行表面处理的温度为140℃，处理的时间为1h。其它步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式是一种碳纳米管/铁网光热材料作为光热转换材料应用于太阳能蒸汽发生装置中，用于蒸发水。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、铁网预处理：

将铁网进行剪裁，得到剪裁后的铁网；将剪裁后的铁网浸入到浓度为2mol/L的盐酸溶液中超声5min，超声功率为200W，取出后依次在去离子水和无水乙醇中分别超声清洗10min，超声功率为200W，最后使用吹风机吹干，得到预处理后的铁网；

步骤一中所述的剪裁后的铁网的直径为2cm，规格为80目筛网；

二、制备碳纳米管/铁网光热材料：

将三聚氰胺覆盖在预处理后的铁网的上下表面，再置于管式炉中，在氮气氛围保护下进行高温处理，高温处理的温度为600℃，高温处理的时间为2h，得到碳纳米管/铁网光热材料；

步骤二中预处理后的铁网与三聚氰胺质量比为1:5；

三、表面处理：

将碳纳米管/铁网光热材料从管式炉中取出后，再使用油酸蒸汽进行表面处理，表面处理的温度为140℃，表面处理的时间为1h，即完成一种碳纳米管/铁网光热材料的制备方法；

步骤三中油酸用量为1.5g。

实施例二：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为700℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。

实施例三：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为800℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。

实施例四：本实施例与实施例一的不同点是：步骤二中高温处理的温度为900℃。其它步骤及参数与实施例一均相同。

蒸发测试：

采用氙灯作为模拟光源来模拟太阳光，调节氙灯与待测样品之间的距离，采用辐照计确定光照射到样品的光照强度为1kW·m

图1是碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

从图1可知，随着高温处理温度的提高，碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率增加，实施例三中800℃的高温处理得到的碳纳米管/铁网光热材料光热转换效果最好，达到1.77kg·m

图2为碳纳米管/铁网光热材料表面温度随时间的变化曲线，图中“■”为未放界面蒸发材料的空白对照，“●”为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；“◆”为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

从图2可知，随着高温处理温度的提高，碳纳米管/铁网样品表面温度上升越快，实施例二、实施例三和实施例四结果相差不大，最终表面上升温度在24℃左右。

将经历1h水蒸发试验后的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；将循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料再次进行水蒸发试验，作为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，见图3所示；

图3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的水蒸发速率，图中“■”为循环1次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“●”为循环2次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▲”为循环3次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“▼”为循环4次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，“◆”为循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料，

图3可知，经过5次循环的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料仍然有较高的水蒸发速率，循环5次的实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料可达到1.58kg·m

图4为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度红外成像图；

从图4可知，在氙灯照射下，实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的表面温度可由20.5℃上升到44.9℃。

图5为XRD图，图中1为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料，2为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料，3为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料；4为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料；

从图5可知：实施例一制备的材料主要成分是Fe，实施例二、实施例三和实施例四制备的材料的主要成分是Fe和Fe

图6为实施例一制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图7为实施例二制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图8为实施例三制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

图9为实施例四制备的碳纳米管/铁网光热材料的SEM图；

从图6～图9可知，实施例一制备的样品表面是非晶态厚碳片和碳球，随处理温度的升高，铁网表面逐渐形成碳纳米管。实施例二制备的样品表面直径较小的碳纳米管包裹在Fe

图10为实施例三步骤二制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图；

图11为实施例三步骤三制备的碳纳米管/铁网光热材料的接触角测试图。

从图10～图11可知，经过油酸蒸汽处理的碳纳米管/铁网接触角增大，使材料从亲水变为疏水，对水的蒸发具有积极作用。