一种仿生多孔界面黑体材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔黑体材料，所述黑体材料为磷化碳化后的密胺海绵；所述黑体材料具有多级的孔道结构。本发明专利技术提供的仿生多孔界面黑体材料具有互联大孔结构的仿生3D桁架结构的海绵骨架以及多级的孔道结构。该多孔黑体材料受益于3D互联中空骨架以及多级的孔道结构，大孔在100微米级，具有高速的水运输能力，有利于水再生过程中水蒸发，而2微米级微孔具有很好的隔热功效，有利于光热转化过程中的界面热管控，以实现高效的光热转化水蒸发。此外，本发明专利技术所制备的黑体材料还具有抗结盐。本发明专利技术提供的制备方法简单经济，可控性好，适于规模化生产和应用，在界面光热水净化等领域的具有明显的应用优势和广泛的应用前景。的应用优势和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生多孔界面黑体材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于光热黑体材料
，涉及一种多孔黑体材料及其制备方法、应用，尤其涉及一种仿生多孔界面黑体材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]除海水和冰川水外，仅有的0.8％淡水资源也因为难开采、污染和区域降水失衡等原因无法被直接有效地利用，全球80％的地区存在不同程度的缺水问题。受大自然水文循环的启发，利用黑体材料，在气液界面直接将太阳能转化为热能，以加速海水/污水的蒸发过程，即界面光热水蒸发技术(ISSG)，被视为最经济、可持续的水资源再生技术之一(Nature Energy 2018，3(12)：1031
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1041.)。界面光热水蒸发技术(ISSG)不同于以往的底部或块体光热水蒸发技术，它利用多孔且隔热的黑体材料来实现界面太阳能热转换和蒸汽逃逸过程。由于热量集中在水
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气两相界面，ISSG系统能有效抑制散热，因此能达到90％以上的热效率，具有广阔的实际应用前景(PNAS 2016，113(49)：13953
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13958.)。
[0003]对于ISSG材料，获得高能量利用效率的关键是水向蒸发界面的快速输送、太阳光的高吸收率和材料本身的低热导率，由此能够将太阳能集中到材料表面进行快速蒸发(Cell Rep.Phy.Sci.2020,1,100074.)。目前已经报道了各种具有先进成分及结构设计的材料，例如等离子体材料(Adv.mater.2017,29,1603730.)，碳基材料(Adv.mater.2017,29,1704107.)，凝胶中的聚合物(Adv.mater.2019,31,e1807716.)等。在这些材料中，碳基材料因其固有的高太阳能吸收率、低成本和良好的可加工性脱颖而出(Acc.Mater.Res.2021,2,198.)。
[0004]然而，普通碳材料的高导热性会提高蒸发界面的热量损失(Adv.mater.2015,27,4302.)。为解决此问题，最近已经提出了将碳材料制备成高度多孔以降低热导率的策略(Acs Appl.Nano Mater.2020,3,4690.)。例如，导热系数仅为23mW m
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‑1的碳纳米管气凝胶是使用碲纳米线模板通过solvothermal方法制造的。尽管如此，其高成本、复杂的制造工艺和弱亲水性仍然限制了它的使用场景。此外，传统的ISSG多孔材料还面临着一个普遍问题：一旦充满水后，其导热性不可避免的会提高，从而导致整体效率的降低。
[0005]因此，如何找到一种更为适宜的黑体材料，解决现有的黑体材料存在的上述问题，已成为领域内诸多具有前瞻性的研究人员广泛关注的焦点之一。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供多孔黑体材料及其制备方法、应用，特别是一种仿生多孔界面黑体材料，本专利技术提供的多孔黑体材料具有多级孔道结构，是一种具有高效界面光热转化水净化黑体材料，具有自漂浮能力、良好的抗盐能力和离子去除能力，具有长期耐用性。而且制备方法简单，可控性好，适于规模化生产和应用。
[0007]本专利技术提供了一种多孔黑体材料，所述黑体材料为磷化碳化后的密胺海绵；
[0008]所述黑体材料具有多级的孔道结构。
[0009]优选的，所述黑体材料具有3D互联的骨架结构；
[0010]所述多级的孔道结构包括一级大孔和二级微孔；
[0011]所述一级大孔的孔径为50～200μm；
[0012]所述二级微孔的孔径为1～5μm。
[0013]优选的，所述3D互联的骨架结构中的交错的骨架之间，形成多级孔道结构中的多孔的一级大孔结构；
[0014]所述骨架包括中空的骨架；
[0015]所述骨架的中空结构，形成多级孔道结构中的二级微孔孔道结构；
[0016]所述多孔黑体材料为仿生大孔骨架的3D扩展桁架海绵。
[0017]优选的，所述磷化碳化后的密胺海绵中的磷的摩尔含量为3～5％；
[0018]所述磷化碳化后的密胺海绵中的氮的摩尔含量为10％～15％；
[0019]所述磷化碳化后的密胺海绵中的碳的摩尔含量为70％～75％；
[0020]所述黑体材料的颜色为黑色。
[0021]优选的，所述磷化碳化后的密胺海绵中，包括式(I)所示的结构片段：
[0022][0023]其中，R包括含氮的杂芳基或氮杂烷基；
[0024]所述多孔黑体材料为多孔界面黑体材料；
[0025]所述磷化包括磷酸化。
[0026]本专利技术提供了一种多孔黑体材料的制备方法，包括以下步骤：
[0027]1)将密胺海绵和阻燃剂溶液中，经过热混合后，得到钝化后的密胺海绵；
[0028]2)在保护性气氛下，将上述步骤得到的钝化后的密胺海绵进行热处理后，得到多孔黑体材料。
[0029]优选的，所述阻燃剂包括磷酸二氢铵；
[0030]所述阻燃剂溶液的浓度为0.1～100mmol/L；
[0031]所述密胺海绵包括清洗后的密胺海绵。
[0032]优选的，所述热混合的方式包括热浸渍；
[0033]所述热混合的温度为40～100℃；
[0034]所述热混合的时间为1～12小时；
[0035]所述钝化为氨基磷酸化。
[0036]优选的，所述保护性气氛包括氮气和/或惰性气体；
[0037]所述热处理的升温速率为大于等于10℃/分钟；
[0038]所述热处理的温度为600～800℃；
[0039]所述热处理的时间5s～1h。
[0040]本专利技术还提供了上述技术方案任意一项所述的多孔黑体材料或上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的多孔黑体材料在光热转化材料领域中的应用。
[0041]本专利技术提供了一种多孔黑体材料，所述黑体材料为磷化碳化后的密胺海绵；所述黑体材料具有多级的孔道结构。与现有技术相比，本专利技术受到北极熊毛和企鹅羽毛这种具有天然的大孔结构的材料，能够抑制对流传热，降低导热性，帮助维持体温的天然大孔结构保温材料的启发，研究设计了一种具有互联大孔结构的仿生3D桁架结构的海绵骨架，这种仿生多孔界面黑体材料，具有仿生大孔骨架的3D扩展桁架海绵以及多级的孔道结构，与其他多孔隔热材料不同的是，本专利技术制备的具有双级的多孔材料，一方面，具有100微米左右的大孔，可以用于光热转化过程中的快速水运输；另一方面，具有类似于生物体结构的2微米左右的孔隙结构，可以有效降低导热率并实现热富集。本专利技术提供的多孔黑体材料，受益于其3D互联中空骨架以及多级的孔道结构，有效的解决了现有的多孔材料往往会牺牲密度以实现低导热率，造成结构耐受性变差，以及密闭结构不利于水的运输和蒸发等问题。
[0042]而且本专利技术还设计了利用廉价的自模板方法来制备该具有多孔结构的低热导率碳材料，利用密胺海绵的自模板方法，简单的将商用三聚氰胺海绵(MS)预浸在阻燃剂溶液中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔黑体材料，其特征在于，所述黑体材料为磷化碳化后的密胺海绵；所述黑体材料具有多级的孔道结构。2.根据权利要求1所述的多孔黑体材料，其特征在于，所述黑体材料具有3D互联的骨架结构；所述多级的孔道结构包括一级大孔和二级微孔；所述一级大孔的孔径为50～200μm；所述二级微孔的孔径为1～5μm。3.根据权利要求1所述的多孔黑体材料，其特征在于，所述3D互联的骨架结构中的交错的骨架之间，形成多级孔道结构中的多孔的一级大孔结构；所述骨架包括中空的骨架；所述骨架的中空结构，形成多级孔道结构中的二级微孔孔道结构；所述多孔黑体材料为仿生大孔骨架的3D扩展桁架海绵。4.根据权利要求1所述的多孔黑体材料，其特征在于，所述磷化碳化后的密胺海绵中的磷的摩尔含量为3～5％；所述磷化碳化后的密胺海绵中的氮的摩尔含量为10％～15％；所述磷化碳化后的密胺海绵中的碳的摩尔含量为70％～75％；所述黑体材料的颜色为黑色。5.根据权利要求1所述的多孔黑体材料，其特征在于，所述磷化碳化后的密胺海绵中，包括式(I)所示的结构片段：其中，R包括含氮的杂芳基或氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，赵浩雨，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：