[发明专利]一种亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料、制备方法及其应用

说明书

一种亲水‑疏水“两面神”结构复合光热转化材料及其制备方法，属于光热转化材料技术领域。本发明以亲水的生物炭为原料，将其负载在多孔亲水基底上，然后在亲水的生物炭表面修饰疏水化试剂，从而得到所述的亲水‑疏水“两面神”结构复合光热转化材料。多孔亲水性基底有利于水的传输，并可以进一步塑形提供更多的蒸发面积，并通过光的多次反射和散射提高光吸收率。涂覆的疏水化试剂能有效防止生物炭的脱落，并能形成疏水涂层，保证海水中长期稳定高效的蒸发，有效防止盐的沉积。得到的亲水‑疏水“两面神”结构复合光热转化材料具有良好的可扩展性、稳定性和操作方便性，非常适合太阳能光热水蒸发的应用，并可以应用于海水淡化以及污水净化等。

技术领域

本发明属于光热转化材料技术领域，具体涉及一种亲水-疏水“两面神”(Janus)结构复合光热转化材料、制备方法及其在海水淡化以及污水净化中的应用。

背景技术

随着科学技术和社会经济的高速发展，能源短缺和环境污染已经成为两大全球性的难题，尤其是淡水资源短缺和水污染问题尤为严重。作为太阳能转换的主要形式之一，太阳能光热转化被认为是具有高能源转化效率的太阳能利用形式，在污水净化和海水淡化领域存在广泛的应用前景。目前，太阳能驱动的界面蒸发已经被提出，并被认为是代替传统的整体加热蒸发的一种有广泛应用前景的方法，太阳能驱动界面蒸发不仅可以减少大量的热损失，还可以提高能量转化效率。

近年来的研究表明，影响水蒸发效率的因素包括光吸收效率、水传输效果以及热管理能力。但目前为止，常用作光吸收的材料有天然生物质炭材料、贵金属纳米粒子以及石墨烯及其复合物。贵金属纳米粒子和石墨烯及其复合物制备方法复杂、成本高昂并且易发生团聚因此很难大范围应用，而生物炭材料因其来源广泛、价格低廉以及制备简单，被认为是良好的光吸收材料。但因生物炭材料存在个体的形貌、成分异性且尺寸有限，使得其在实际应用中可扩展性受到限制。将生物炭加工成粉末，可以减小个体差异，并易于量产。因此开发低成本、高效率以及可规模化生产的生物炭粉末基光热转化材料具有重要意义。

一般来说，亲水的太阳能蒸发器有助于水的运输。然而，亲水性太强不仅会因上表面水分过多而造成不必要的热损失，还会导致海水蒸发器被盐晶体堵塞，产生结垢和耐久性问题。最近，研究人员将疏水顶层和亲水底层的设计结合起来，以利用两种润湿状态的优点。疏水表面可以提高太阳能蒸发器的稳定性，有效地解决盐堵问题。赖的团队(GlobalChallenge,2019,3,1800117)设计了一个以棉布为基质，蜡烛烟灰沉积在一边的亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料。亲水性棉布和疏水性蜡烛烟灰的协同作用确保了水的传输的同时有效防止了盐的沉积。俞书宏的团队(Cell Reports Physical Science,2020,1,100074)利用大孔聚合物树脂为基底，底部由聚多巴胺(PDA)改性形成亲水层，上部涂有全氟烷基三乙氧基硅烷(PFDTS)形成疏水层，从而得到具有“两面神”润湿性的仿生蒸发器。研究表明亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料能有效提高太阳能水蒸发效率，并提高稳定性，但目前亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料的制备方法还比较有限。并且生物炭多是亲水的，目前还没有基于生物炭粉末的亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料、制备方法及其在海水淡化以及污水净化中的应用。亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料中多孔亲水性基底不仅可以作为生物炭负载的基底，亲水性多孔结构也有利于水分的传输。多孔亲水性基底可以进一步塑形提供更多的蒸发面积，并通过光的多次反射和散射提高光吸收率。生物炭具有廉价易得的特点，适合大范围推广应用。涂覆的疏水化试剂能有效防止生物炭的脱落，并能形成疏水涂层，保证海水中长期稳定高效的蒸发，有效防止盐的沉积。得到的亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料具有良好的可扩展性、稳定性和操作方便性，非常适合太阳能光热水蒸发的应用，并可以应用于海水淡化以及污水净化等。

本发明所述的一种亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料的制备方法，具体步骤如下：