一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料及其制备方法和应用，所述MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料包括层叠设置的光热转换层和隔热层，所述光热转换层的材料包括MXene纳米片，所述隔热层的材料包括氧化物陶瓷纤维。本发明专利技术通过选用具有低密度和高柔韧性的陶瓷纤维制备出具有多孔结构的隔热支撑层，再将MXene纳米片引入到纤维膜表面来实现高效的光热转换，通过对陶瓷纤维膜内部孔径的调控，使得纤维膜的隔热保温功能达到最佳，进而使复合材料具备光热转换效率高，导热系数低、机械性能好、稳定性高和适用范围广等优点。稳定性高和适用范围广等优点。稳定性高和适用范围广等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于海水淡化
，具体涉及一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业化的快速发展和人口数量的增加，淡水资源短缺已成为人类面临的严峻挑战之一。海水淡化被认为是解决水资源短缺的最佳途径，但是传统的膜分离技术需要压力驱动，能源消耗较高，而太阳能是一种用之不竭的绿色能源，通过光热材料利用太阳能进行高盐海水和苦咸水的蒸发从而得到淡水具有环保、节能、成本低廉等优势，具有广阔的应用前景。
[0003]作为太阳能海水淡化的光热转换材料的选取和结构设计对于提高蒸发效率至关重要。为了提高海水蒸发效率，应满足：(1)在太阳能全光谱范围内具有宽带吸收；(2)具有良好的局域热效应；(3)良好的隔热保温性能；(4)较高的柔韧性和稳定性。虽然，目前研究者们已经对太阳能海水淡化进行了一系列的研究，但是，仍存在光热转换效率低及膜材料性能稳定性差等问题。因此，对于新型光热材料的研究具有重要的应用意义。
[0004]CN202010867748.7公开了一种Mxenes/泡沫镍光热材料的制备方法及应用，通过将泡沫镍浸泡在MXene溶液并自然晾干得到了具有较高水蒸发速率的光热材料，但是该光热材料存在成本较高且性能稳定性较差的问题。
[0005]CN113023809A公开了一种用于太阳能界面蒸发海水淡化的膜材料的制备方法，该方法将PLA(聚乳酸)颗粒溶于氯仿/N,N
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二甲基酰胺混合溶剂后与MXene片通过静电纺丝工艺制成复合膜材料，但通过该工艺获得的复合膜材料中MXene纳米片容易团聚且含量较低，限制了海水蒸发的效率，而且复合膜的化学稳定性较差，使用寿命较短。
[0006]因此，采用氧化物陶瓷纤维膜制备一种具有超强化学稳定性、柔韧性及低密度的光热复合材料具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料及其制备方法和应用，本专利技术选用具有多孔结构的氧化物陶瓷纤维膜，再将MXene纳米片引入到陶瓷纤维膜表面来实现光热转换，实现待处理水体的快速蒸发，进而使得该复合材料具有较高的光热转换效率。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料，所述MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料包括层叠设置的光热转换层和隔热层。
[0010]所述光热转换层的材料包括MXene纳米片。
[0011]所述隔热层的材料包括氧化物陶瓷纤维。
[0012]本申请中所述氧化物陶瓷纤维隔热层具有较高的柔韧性，能够制作成不同形状以
提高光热转换效率，本专利技术通过引入MXene纳米片到氧化物陶瓷纤维隔热层的表面，两者协同配合实现了待处理水体的快速蒸发，同时使得复合材料具有较高的耐用性和光热转换效率。
[0013]优选地，所述氧化物陶瓷纤维的材料选自ZrO2，或ZrO2与Al2O3、SiO2、TiO2中至少一种的组合物；
[0014]优选地，所述氧化物陶瓷纤维的材料为ZrO2和TiO2的组合。
[0015]优选地，所述ZrO2与TiO2的质量比为(1～3):1，例如可以为1.2:1、1.5:1、1.8:1、2:1、2.2:1、2.5:1、2.8:1等。
[0016]本专利技术中所述氧化物陶瓷纤维的材料为ZrO2和TiO2的复合材料时，所述材料的隔热效果更优，进而可使复合材料的光热转换效率更高。
[0017]优选地，所述光热转换层的厚度为1.0～100μm(例如可以为2.0μm、5.0μm、10.0μm、50.0μm、90.0μm等)，隔热层的厚度为1.0～10.0mm(例如可以为2mm、4mm、5mm、6mm、8mm等)。
[0018]优选地，所述MXene纳米片的片径为50nm～5.0μm(例如可以为100nm、200nm、500nm、1.0μm、2.0μm、3.0μm或5.0μm等)。
[0019]优选的，所述氧化物陶瓷纤维的直径为50nm～1.0μm(例如可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm等)。
[0020]上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
[0021]本专利技术中，通过控制光热转换层与隔热层的厚度以及MXene纳米片的片径和氧化物陶瓷纤维的直径，可以使MXene纳米片与氧化物陶瓷纤维更优的匹配，其中MXene光热转换层的厚度在1.0～100μm范围内，纳米片的片径在50nm～5.0μm之间，不仅能够在降低材料成本的前提下更好地将光能转换为热能，同时利用MXene的层间空隙过滤掉尺寸在2.5μm以上的有害粒子，还能防止光热转换层过于致密，MXene层间范德华力引起的片层堆叠抑制水分子的运输而影响水分的蒸发速率。氧化物陶瓷纤维隔热层能够将光热转化层所得能量限制在局部区域内，从而提高能量利用率，促进海水的蒸发淡化过程。而且，本申请所选择的氧化物陶瓷纤维材料，特别是ZrO2和TiO2的组合在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，能够将甲醛、甲苯、二甲苯、氨、氡、TVOC(总挥发性有机化合物)等有害有机物、污染物、微生物等有害有机物彻底分解为无害的CO2和H2O，对海水同时起到净化作用。另外，纤维直径是影响其导热系数的重要因素，本专利技术所得复合材料中陶瓷纤维的直径在50nm～1.0μm之间，既能维持较高且稳定的气孔率，保证其具有高效的隔热能力，还能确保复合材料具有较高的柔韧性和机械性能。
[0022]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0023]将含有MXene纳米片的分散液涂覆到隔热层表面，干燥后得到所述MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料。
[0024]本申请提供的制备方法工艺简单且易操作，易于工业化量产，具有优异的实用性。
[0025]所述分散液的溶剂包括去离子水、乙醇、N,N
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二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或聚碳酸酯中的任意一种或至少两种的组合物。
[0026]优选地，所述MXene纳米片在所述分散液中的浓度为0.5～5.0mg/mL(例如可以为0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.2mg/mL、1.5mg/mL、2.0mg/mL、3.0mg/mL、5.0mg/mL等)。
[0027]优选地，所述涂覆的方式包括喷涂、旋涂、刮涂或抽滤中的任意一种或至少两种的组合。
[0028]优选地，所述干燥的温度为80～100℃(例如可以为82℃、85℃、87℃、90℃、93℃、95℃、98℃等)，干燥时间为1～3h(例如可以为1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h、2.8h等)。
[0029]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料，其特征在于，所述MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料包括层叠设置的光热转换层和隔热层；所述光热转换层的材料包括MXene纳米片；所述隔热层的材料包括氧化物陶瓷纤维。2.如权利要求1所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料，其特征在于，所述光热转换层的厚度为1.0～100μm；所述隔热层的厚度为1.0～10.0mm。3.如权利要求1或2所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料，其特征在于，所述氧化物陶瓷纤维的材料选自ZrO2，或ZrO2与Al2O3、SiO2、TiO2中至少一种的组合物；优选地，所述氧化物陶瓷纤维的材料为ZrO2和TiO2的组合；优选地，所述ZrO2与TiO2的质量比为(1～3):1；优选地，所述MXene纳米片的片径为50nm～5.0μm；优选地，所述氧化物陶瓷纤维的直径为50nm～1.0μm。4.一种如权利要求1
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3中任一项所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将含有MXene纳米片的分散液涂覆到隔热层表面，干燥后得到所述MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料。5.如权利要求4所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散液的溶剂包括去离子水、乙醇、N,N
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二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或聚碳酸酯中的任意一种或至少两种的组合物；优选地，所述MXene纳米片在所述分散液中的浓度为0.5～5.0mg/mL；优选地，所述涂覆的方式包括喷涂、旋涂、刮涂或抽滤中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述干燥的温度为80～100℃，干燥时间为1～3h。6.如权利要求4或5所述的MXene/陶瓷纤维光热转换复合材料的制备方法，其特征在于，所述MXene纳米片的制备方法包括：(1)将氟化锂溶于盐酸溶液中，加入Ti3AlC2粉末，搅拌反应后得到悬浮液；(2)用去离子水将悬浮液进行清洗、震荡、离心后得到沉淀物；(3)将沉淀物溶于去离子水中，离心，取其上清液干燥后即得到MXene纳米片；优选地，步骤(1)所述氟化锂与Ti3AlC2的质量比为1:(0.5～3)；优选地，步骤(1)所述盐酸溶液的浓度为12～16mol/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钰，邱肖盼，刘静静，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：