一种各向异性的MXene-rGO海绵光热蒸发器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种各向异性的MXene

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法


[0001]本专利技术属于材料科学领域，涉及一种光热蒸发材料的制备方法，具体涉及一种各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法。

技术介绍

[0002]清洁的水资源是人类健康和工业发展的基石。然而，地球上的水资源分布并不均匀且大部分以不能够直接应用的海水形式存在。此外，由于工业污染，淡水资源需要投入大量的财力物力通过净化才能够达到安全使用的标准。在这个过程中，利用太阳能进行光热水蒸发以获得清洁的淡水资源是十分高效环保的。
[0003]太阳能可以通过浮在水面上的太阳能吸收材料中的分子的热振动(如碳基材料)、非辐射弛豫(如钛基和铁基半导体)，以及贵金属纳米颗粒的局部等离子体效应等效应转换为热能，使水
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空气界面处的水加速蒸发。在此基础上，将吸收的太阳能高效的应用到界面的水蒸发需要光热蒸发器实现良好的水热协同管理。具体而言，要在能够快速供给蒸发所需的水的同时有效地抑制热量的散失。这对于实现高效持续的光热蒸发器的设计具有引领性的重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法，该方法制备得到的MXene
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rGO海绵实现了出色的水热协同管理，具有出色的光热蒸发速率以及太阳光利用率。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法，将氯化钠、氯化钾、铝粉、钛粉依次加入到氧化石墨烯浆料中，通过搅拌得到均匀的混合前驱体悬浊液；将悬浊液倒入模具中，通过液氮进行定向冷冻，并将冷冻后的海绵前驱体用冷冻干燥机干燥后得到MAX
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rGO海绵前驱体；在管式炉内进行热处理得到MAX
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rGO海绵；通过刻蚀得到MXene
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rGO海绵。具体包括如下步骤：
[0007]步骤一、前驱体悬浊液的制备：
[0008]步骤一一、将氯化钠和氯化钾溶解在水中，通过搅拌得到盐溶液，其中：
[0009]所述氯化钠和氯化钾由商业购买得到，纯度应为分析纯以上；
[0010]所述水可为由商业购买得到的去离子水，也可以是通过蒸馏得到的蒸馏水；
[0011]所述氯化钠和氯化钾的摩尔比为2：1～1：2；
[0012]步骤一二、将步骤一一得到的盐溶液加入到氧化石墨烯浆料中，通过搅拌得到均匀的溶液，其中：
[0013]所述加入过程应严格控制盐溶液加入的速度和搅拌速度；
[0014]所述盐溶液和氧化石墨烯浆料的浓度的比例应严格控制，最终得到的前驱体悬浊液中，每100ml前驱体悬浊液中含有的rGO浓度为3～7mg/ml，含有的氯化钠和氯化钾的总质
量为1～7g；
[0015]所述rGO浆料可由Hummer法剥离制备，也可以由商业购买得到的rGO浓浆料通过加入蒸馏水稀释制备；
[0016]步骤一三、将铝粉和钛粉加入到步骤一二得到的溶液中，通过搅拌得到均匀的前驱体悬浊液，其中：
[0017]所述铝粉和钛粉的尺寸范围为100～500微米；
[0018]所述铝、钛元素含量的摩尔比例为4：1～1：1；
[0019]所述钛元素的含量和前驱体悬浊液中碳元素的含量满足的摩尔比关系为4：1～1：1；
[0020]步骤二、MAX
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rGO海绵前驱体的制备：
[0021]步骤二一、将步骤一得到的前驱体悬浊液倒入模具中，其中：
[0022]所述模具应具有出色的面内热绝缘性能；
[0023]步骤二二、将模具底座浸入到液氮中，对前驱体悬浊液进行定向冷冻，其中：
[0024]所述定向冷冻时的冷源温度为
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160～
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180℃，定向冷冻的时间为20～30min；
[0025]步骤二三、将冷冻后的前驱体悬浊液放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到MAX
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rGO海绵前驱体，其中：
[0026]所述冷冻干燥周期为4～7天；
[0027]步骤三、在管式炉内进行热处理得到MAX
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rGO海绵：
[0028]将步骤二得到的MAX
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rGO海绵前驱体放入管式炉中，在保护性气氛下进行热处理，待炉温自然冷却到室温后取出，得到具有定向多级结构的MAX
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rGO海绵，其中：
[0029]所述保护性气氛为氩气，通入的流量为20～40ml/min；
[0030]所述热处理的温度为900～1200℃，时间为1～3h，升温速率为2～10℃/min；
[0031]步骤四、刻蚀得到MXene
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rGO海绵：
[0032]将步骤三得到的MAX
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rGO海绵用氢氟酸和盐酸的混合酸溶液刻蚀，之后用去离子水置换海绵中的酸液，即得到具有定向多级结构的MXene
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rGO海绵，其中：
[0033]所述氢氟酸和盐酸的混合酸溶液中，盐酸的质量分数为5～15wt％，氢氟酸的质量分数为5～15wt％；
[0034]所述刻蚀的温度为35～50℃，刻蚀的时间为20～30h；
[0035]所述具有定向多级结构的MXene
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rGO海绵的密度小于1g/ml，具体地密度范围为10～800mg/ml。
[0036]上述方法制备得到的具有定向多级结构的MXene
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rGO海绵可以作为自支撑的光热蒸发器。
[0037]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0038]1、本专利技术以一锅法制备得到海绵的前驱体，通过后续的冷冻干燥、热处理、酸刻蚀和洗酸步骤即可获得具有定向多级结构的MXene
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rGO海绵，制备方法简单有效。
[0039]2、本专利技术制备的MXene
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rGO海绵内部的孔隙定向排布，为水的运输提供了快速的通道，微米尺度的MXene片层垂直于rGO骨架均匀的分布在海绵的表面，这大大提升了MXene的利用率，显著提高了海绵作为光热蒸发器时的光热转化效率；
[0040]3、本专利技术制备的MXene
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rGO海绵具有良好的机械强度和耐氧化性能，可以作为具
有持续工作能力的自支撑光热蒸发材料。
[0041]4、本专利技术通过冷冻干燥和高温热处理原位生长的方法实现了MXene
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rGO复合海绵中rGO和MXene纳米片层的相对位置和分布，以达到利用rGO的良好力学性能搭建海绵的骨架而利用MXene出色的光热转换效能使MXene片与太阳光充分接触以最大效率的发挥其效能的目的。这样制备得到的海绵具有非常明显的各向异性：海绵的面内热导率要远高于面外热导率。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、前驱体悬浊液的制备：步骤一一、将氯化钠和氯化钾溶解在水中，通过搅拌得到盐溶液；步骤一二、将步骤一一得到的盐溶液加入到氧化石墨烯浆料中，通过搅拌得到均匀的溶液；步骤一三、将铝粉和钛粉加入到步骤一二得到的溶液中，通过搅拌得到均匀的前驱体悬浊液，其中：每100ml前驱体悬浊液中含有的rGO浓度为3～7mg/ml，含有的氯化钠和氯化钾的总质量为1～7g，钛元素的含量和前驱体悬浊液中碳元素的含量满足的摩尔比关系为4：1～1：1，氯化钠和氯化钾的摩尔比为2：1～1：2，铝、钛元素含量的摩尔比例为4：1～1：1；步骤二、MAX
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rGO海绵前驱体的制备：步骤二一、将步骤一得到的前驱体悬浊液倒入模具中；步骤二二、将模具底座浸入到液氮中，对前驱体悬浊液进行定向冷冻；步骤二三、将冷冻后的前驱体悬浊液放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到MAX
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rGO海绵前驱体；步骤三、在管式炉内进行热处理得到MAX
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rGO海绵：将步骤二得到的MAX
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rGO海绵前驱体放入管式炉中，在保护性气氛下进行热处理，待炉温自然冷却到室温后取出，得到具有定向多级结构的MAX
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rGO海绵；步骤四、刻蚀得到MXene
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rGO海绵：将步骤三得到的MAX
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rGO海绵用氢氟酸和盐酸的混合酸溶液刻蚀，之后用去离子水置换海绵中的酸液，即得到具有定向多级结构的MXene
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rGO海绵。2.根据权利要求1所述的各向异性的MXene
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rGO海绵光热蒸发器的制备方法，其特征在于所述铝粉和钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭庆宇，刘宗林，赫晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：