一种钴改性的碳基纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钴改性的碳基纤维膜，包括表面具有沟槽结构的碳基纤维膜以及负载在碳基纤维膜表面的氯化钴，负载在碳基纤维膜表面的氯化钴晶体沿纵向外延生长。本发明专利技术还公开了上述钴改性的碳基纤维膜的制备方法。与现有碳材料相比，本发明专利技术钴改性的碳基纤维膜在氯化钴和碳基纤维膜的协同作用下使其具有优异的吸湿性能，在环境湿度RH为96～98％的条件下吸水量高达5.19g g

【技术实现步骤摘要】
一种钴改性的碳基纤维膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种钴改性的碳基纤维膜，还涉及上述钴改性的碳基纤维膜的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，除湿技术引起了人们的广泛关注，高湿度环境中聚集的大量湿气会不利于健康舒适的生活，因而需要合适的吸湿剂。同时利用在吸湿过程中吸收并蒸发的水分进行大气集水产生淡水从而缓解全球淡水短缺被认为是一种非常有应用前景的技术。传统的吸湿材料有硅胶、MOF材料等，但是其吸收动力学差，吸水率低，容易团聚。传统的膜材料作为吸湿材料时，虽然其具备多孔的结构利于吸湿，但力学性能和柔性受限，且大多数吸湿膜材料的制备工艺繁琐，成本较高。碳基纤维因其多孔、力学性能良好、优异的光热增强特性在太阳能转化领域有着广泛的应用，但其固有的一维结构使其达到的光热转化效率有限，从而影响了水蒸发性能。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术针对现有技术中各类吸湿材料存在的问题，提供一种钴改性的碳基纤维膜，该纤维膜不仅具有良好的力学性能，同时还具有良好的吸水性能和光热转换效率。本专利技术还提供上述钴改性的碳基纤维膜的制备方法。
[0004]技术方案：本专利技术所述的钴改性的碳基纤维膜，包括表面具有沟槽结构的碳基纤维膜以及负载在碳基纤维膜表面的氯化钴，负载在碳基纤维膜表面的氯化钴晶体沿纵向外延生长。
[0005]其中，碳基纤维膜表面氯化钴的负载量为30～35wt％。
[0006]上述钴改性的碳基纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)将放置有棉织物的氢氧化钠溶液煮至沸腾，然后将棉织物取出，在超纯水中浸泡1晚；实现对棉织物的脱浆处理；
[0008](2)将脱浆后的棉织物在氮气气氛中煅烧，煅烧后再在氧气气氛下进行氧化处理，得到碳基纤维膜；经高温碳化氧化后得到的碳基纤维膜具有优异的柔性，可任意折叠弯曲；
[0009](3)将碳基纤维膜浸泡在CoCl2溶液中，多次浸渍后干燥，得到负载有CoCl2的碳基纤维膜。
[0010]其中，步骤(1)中，氢氧化钠溶液的浓度为15g/L。
[0011]其中，步骤(2)中，煅烧温度为800℃，煅烧时间为1h，升温速率为2℃/min。
[0012]其中，步骤(2)中，氧化温度为300℃，氧化时间为2h。
[0013]其中，步骤(3)中，CoCl2溶液的浓度为23.8mg/mL。
[0014]其中，步骤(3)中，干燥温度为40℃，干燥时间为2h。
[0015]有益效果：与现有碳材料相比，本专利技术钴改性的碳基纤维膜在氯化钴和碳基纤维膜的协同作用下使其具有优异的吸湿性能，在环境湿度RH为96～98％的条件下吸水量高达
5.19gg
‑1；此外，其光热转化效率高达90％，在1个太阳光的驱动下表现出优异的水蒸发性能，蒸发速率达到1.65kg/m2/h，蒸发效率达到76.6％，本专利技术材料可以通过高效的光热转化效率实现太阳能驱动水蒸发集热产水的应用。
附图说明
[0016]图1为本专利技术柔性钴改性的碳基纤维膜的实物图；
[0017]图2为本专利技术钴改性的碳基纤维膜的扫描电镜图；
[0018]图3为吸水装置结构原理图；
[0019]图4为本专利技术方法制得的碳基纤维膜、钴改性的碳基纤维膜的温度变化图；
[0020]图5为本专利技术方法制得的碳基纤维膜的光热增强机理图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0022]实施例1
[0023]本专利技术钴改性的碳基纤维膜(Co
‑
Carbon)的制备方法，包括如下步骤：
[0024](1)将废弃的棉织物置于浓度为15g/L的氢氧化钠溶液中，加热使氢氧化钠溶液沸腾1h，然后将棉织物取出，在超纯水中浸泡1晚；实现棉织物的脱浆处理；
[0025](2)将脱浆后的棉织物在氮气气氛中800℃下煅烧1h，升温速率为2℃/min，煅烧后再在氧气气氛中300℃下氧化处理2h，得到碳基纤维膜；经高温碳化氧化后得到的碳基纤维膜具有优异的柔性，可任意折叠弯曲；
[0026](3)将碳基纤维膜裁剪成6*6cm的尺寸浸泡在40mL浓度为23.8mg/mL的CoCl2水溶液中(CoCl2溶液由CoCl2·
H2O置于水中得到)，经过六次反复浸渍(经过六次反复浸渍是指：把碳基纤维膜浸泡在CoCl2水溶液中，20min后，用镊子夹出碳布，然后再放入CoCl2水溶液中浸泡20min，然后再用镊子夹出，反复六次，碳基纤维膜合计在CoCl2水溶液中浸泡2小时，这样操作能够使负载更充分，原因是：碳布的负载位点/吸附位点在没有饱和的情况下这样动态操作会促进碳布对钴的吸收，当碳布吸附位点达到饱和时，这样操作能够使钴分子在第一次生长的基础上进行二次生长，进而提高碳布上CoCl2的负载量)后在40℃下干燥2h，得到负载有CoCl2的碳基纤维膜，实施例1制得的碳基纤维膜中CoCl2的负载量为35wt％。
[0027]经过碳化处理后的碳基纤维膜表面具有较多的褶皱，这些皱褶可以有效地锚定氯化钴分子，并能调控氯化钴分子的取向生长。本专利技术钴改性的碳基纤维膜具有良好吸水性能和光热转换效率的机理为：800度碳化后的碳基纤维基本只含C元素，表面的亲水性官能团如羟基含量较低，在经过氧化后，羟基的特征峰强度明显增强，表明此时通过空气活化后纤维的微晶碳棱边被氧化，亲水性增强，在负载氯化钴后，钴
‑
碳基纤维膜表面的羟基发生缔合，峰形变宽；同时氯化钴与碳基纤维之间形成氢键结合，导致亲水性进一步增强，本专利技术一方面通过提高亲水性增大纤维膜在空气中的吸湿性能，另一方面通过在碳基纤维膜表面形成类似触角结构的氯化钴分子捕捉空气水的水分子提高纤维膜在空气中的吸湿性能，如图2所示，在碳基纤维膜上负载氯化钴后，能够在膜表面得到具有多个枝状形貌的异质结构，即氯化钴均匀地负载在碳纤维膜表面，并以枝状结构进行外延生长，表面枝状结构在增大膜比表面积的同时还可以通过对光线的多次散射增强集光效率(使纤维膜从一维结构变
成二维结构)，另外，如图5所示，碳纤维间(纤维膜的孔)具有独特的“狭缝孔”结构，这种狭缝孔结构可以使光线在孔内进行连续的折射，进一步增强集光效率，同时狭缝孔结构中形成的一个个“线圈结构”使得光热有效地集中在线圈内部，减少了热量的损失，进而有效提高纤维膜的光热转换效率。
[0028]吸湿性能测试：将实施例1制得的钴改性的碳基纤维膜置于密闭的吸湿装置里吸收水分，吸湿装置如图3所示，将湿度RH控制在不同湿度下，每隔一段时间利用电子微量天平快速测定样品的质量变化，并计算吸水量E＝m2‑
m1/m1。其中m2为样品吸收水分后的质量，m1为样品初始质量。
[0029]结果如表1所示，钴改性的碳基纤维膜在RH为96～98％时吸收空气中水分10h后的吸水量达到5.19gg
‑1。
[0030]表1
[0031][0032]在空气中实现吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钴改性的碳基纤维膜，其特征在于：包括表面具有沟槽结构的碳基纤维膜以及负载在碳基纤维膜表面的氯化钴，负载在碳基纤维膜表面的氯化钴晶体沿纵向外延生长。2.根据权利要求1所述的钴改性的碳基纤维膜，其特征在于：碳基纤维膜表面氯化钴的负载量为30～35wt％。3.一种权利要求1所述的钴改性的碳基纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将放置有棉织物的氢氧化钠溶液煮至沸腾，然后将棉织物取出，在超纯水中浸泡1晚；(2)将脱浆后的棉织物在氮气气氛中煅烧，煅烧后再在氧气气氛下进行氧化处理，得到碳基纤维膜；(3)将碳基纤维膜浸泡在CoCl2溶液中，多次浸渍后干燥，得到负载有CoCl2的碳基纤维膜。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：代云茜，詹琦，孟祥钰，彭晓丽，孙岳明，陆卫兵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：