一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料、制备方法及其应用技术

一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料、制备方法及其应用，属于光热转化材料技术领域。本发明专利技术通过疏水性粘结剂将微米碳材料和光催化纳米粒子与自支持基底材料结合，微米碳材料具有良好的光热转换性能，结合光催化纳米粒子的光催化性质，使材料具有光热光催化协同的有机污染物降解和杀菌性能。此外，疏水的粘合剂和微米碳材料使材料具有疏水性，纳米尺度的光催化纳米粒子与微米碳材料使材料表面具有微米

【技术实现步骤摘要】
一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于光热转化材料
，具体涉及一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料、制备方法及其太阳能光热水蒸发、海水淡化、污水净化及抗细菌粘附中的应用。

技术介绍

[0002]随着现代工业的快速发展，能源和资源的消耗不断增加，因此造成的环境污染问题日趋严重，其中包括严重的水污染和水资源短缺问题。根据2021年度《中国水资源公报》公布的我国水资源现状，虽然全国降雨量和水资源总量比多年平均值明显偏多，但超过四分之三的淡水资源受到严重污染或富营养化，许多偏远地区的人们仍然面临饮水困难的问题。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，在海水淡化和污水净化领域存在广泛的应用前景。太阳能驱动界面水蒸发可以减少整体加热带来的不必要的热损失，从而提高蒸发效率，进而提高太阳能的利用效率，被认为是代替传统整体加热蒸发的一种具有广泛应用前景的方法。
[0003]近年来的研究表明，影响太阳能光热转换效率的因素包括太阳能吸收效率、水传输效率以及整体的热管理能力。贵金属纳米粒子作为早期的光热转换材料，因其制备方法复杂、成本高且在容易对水体产生二次污染，因此很难在实际生产生活中广泛应用。碳材料不仅具有光吸收效率高的特点且成本低廉，可以有效弥补贵金属纳米粒子材料在成本、制备方法以及稳定性上的缺陷，因此被认为是理想的太阳能光吸收材料而被应用于太阳能光热界面转换。
[0004]一般来说，亲水的太阳能蒸发器有利于水的传输。然而，亲水性好的材料因为上表面水分过多而造成不必要的热损失，而且在海水淡化的过程中，因蒸发速率过快产生的盐浓度梯度会使盐分子在表面结晶析出，进而会堵塞水传输通道，会对材料的蒸发效率及耐久性产生明显的影响。太阳能光热水蒸发由于可利用太阳能处理不同的水源(海水、污水等)，且高效、环保、经济地获得淡水，因此受到广泛关注。但是太阳能光热界面应用于污水处理时，蒸发后有机污染物和细菌仍存在于剩余的水中，且随着蒸发时间的延长，有机污染物和细菌的浓度逐渐增加，导致剩余的水受到严重污染，蒸发器性能降低。在之前的研究中，光催化作为可以有效降解有机物及杀菌的手段被广泛应用于污水处理，因此，将光热与光催化协同作用应用于污水处理领域将会是有效的措施。在污水处理的过程中，细菌的粘附与增殖将成为影响材料使用寿命的重要因素，在之前的研究中证明超疏水低粘附材料可以有效减少细菌粘附从而降低细菌增值对材料的腐蚀作用，而相应的超疏水材料也具有防止盐沉积的作用，因此将设计制备具有超疏水低粘附特性的太阳能光热转化材料应用于海水淡化及污水处理领域将展现出优异的效果及良好的材料稳定性。目前，还没有具有光热协同光催化效应的超疏水低粘附的太阳能光热转化材料的报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料、制备方法及其在太阳能光热水蒸发、海水淡化、污水净化及抗细菌粘附中的应用。本专利技术通过疏水性粘结剂将微米碳材料和光催化纳米粒子与基底材料结合，微米碳材料具有良好的光热转换性能，结合光催化纳米粒子的光催化性质，使材料具有光热光催化协同的有机污染物降解和杀菌性能。此外，疏水的粘合剂和微米碳材料使材料具有疏水性，纳米尺度的光催化纳米粒子与微米碳材料使材料表面具有微米
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纳米复合结构，赋予材料表面超疏水低粘附的特性。本专利技术得到的超疏水低粘附界面的光热转化材料具有良好的可扩展性、稳定性及制备方便性，非常适合太阳能光热水蒸发、海水淡化、污水净化及抗细菌粘附中的应用。
[0006]本专利技术所述的一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料的制备方法，其步骤如下：
[0007]1)将自支持基底置于无水乙醇中，超声处理20～40min，然后将基底从无水乙醇中取出，更换新的无水乙醇后再将基底置于其中超声处理20～40min，重复“置于无水乙醇－超声－取出基底－更换无水乙醇”过程3～5次；将最后一次超声后的基底取出后置于去离子水中，超声处理20～40min，然后将基底从去离子水中取出，更换新的去离子水后再将基底置于其中超声处理20～40min，重复“置于去离子水－超声－取出基底－更换去离子水”过程3～5次，将最后一次超声后的基底取出后自然干燥得到干净基底；
[0008]2)将疏水性粘结剂加入有机溶剂中，超声混合20～40min后得到溶液A，再将微米碳材料和光催化纳米粒子均匀分散在溶液A中得到混合溶液B；
[0009]3)将步骤1)得到的干净基底置于步骤2)得到的混合溶液B中，超声处理30～60分钟，然后将基底从混合溶液B中取出，真空干燥后得到本专利技术所述的具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料。
[0010]步骤1)所述的自支持基底为棉布、棉纱布、亲水聚合物海绵中的一种；
[0011]步骤2)所述的溶液A中，有机溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃等中的一种；有机溶剂与疏水性粘结剂的质量比为4～9：1，疏水性粘结剂为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种；所述的混合溶液B中，微米碳材料与疏水性粘结剂的质量比为0.5～2：1，光催化纳米粒子与疏水性粘结剂的质量比为1：5～20，用于光吸收的微米碳材料为石墨粉、石墨烯粉、碳黑、乙炔黑等中的一种，光催化纳米粒子为ZnO、TiO2等中的一种；所述的分散条件为超声分散，时间为30～60min；
[0012]步骤3)所述的真空干燥的温度为60～80℃，干燥时间为2～4h。
[0013]本专利技术利用疏水性粘结剂、碳材料和光催化纳米粒子制备混合涂层溶液，将混合涂层溶液修饰于自支持基底表面，从而得到所述的具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料。本专利技术具有设备简单、使用方便、所用化学试剂廉价易得、可重复性好的特点，基底具有良好的可扩展性和可塑性，可以大量生产。本专利技术制备的具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料具有优异的太阳能光热水蒸发性能和良好的循环稳定性，在一个太阳光下纯水的蒸发效率为1.89kg m
‑2h
‑1，且在7个循环后蒸发效率仍保持在96％以上。海水的蒸发效率达到1.75kg m
‑2h
‑1，净化后的海水可达到饮用水标准，且材料表面没有明显的盐沉积。此外，制备的具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料对含有细菌和有机污染物的污水有很好的净化效果，其光热协同催化降解有机污染物的效率可达60％以上，30min内
杀菌效率可达99.99％。另外，材料的超疏水性、低粘附特性使材料具有优异的抗细菌粘附特性，其抗粘附率可达97.2％。目前，还没有同时具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料的报道。这种复合材料材料具有成本低廉、制作方便、循环稳定性好、可扩展性好的特点，在环境净化和光热转换方面都有着广阔的应用前景。
附图说明
[0014]图1(1)：实施例1制备的棉布@PDMS
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料的制备方法，其步骤如下：1)将自支持基底置于无水乙醇中，超声处理20～40min，然后将基底从无水乙醇中取出，更换新的无水乙醇后再将基底置于其中超声处理20～40min，重复“置于无水乙醇－超声－取出基底－更换无水乙醇”过程3～5次；将最后一次超声后的基底取出后置于去离子水中，超声处理20～40min，然后将基底从去离子水中取出，更换新的去离子水后再将基底置于其中超声处理20～40min，重复“置于去离子水－超声－取出基底－更换去离子水”过程3
‑
5次，将最后一次超声后的基底取出后自然干燥得到干净基底；2)将疏水性粘结剂加入有机溶剂中，超声混合20～40min后得到溶液A，再将微米碳材料和光催化纳米粒子均匀分散在溶液A中得到混合溶液B；3)将步骤1)得到的干净基底置于步骤2)得到的混合溶液B中，超声处理30～60分钟，然后将基底从混合溶液B中取出，真空干燥后得到本发明所述的具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料。2.如权利要求1所述的一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的自支持基底为棉布、棉纱布、亲水聚合物海绵中的一种。3.如权利要求1所述的一种具有光热光催化协同效应的超疏水低粘附材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙航，秦蓁，尹升燕，佘萍，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：