一种碳基材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供的一种碳基材料及其制备方法，包括以下步骤：步骤1，按照1：(1～1.5)的质量百分计将淀粉和水进行混合，得到初步材料；步骤2，将得到的初步材料进行(‑50～‑70)℃下冷冻干燥20～50h；步骤3，将步骤2得到的进行高温碳化制成碳泡沫基体；步骤4，将步骤3制备所得的碳泡沫基体放入多巴胺溶液进行浸泡24～48h，之后室温干燥，即得到多巴胺沉积碳泡沫基体；将淀粉和水进行混合制备碳基材料，是通过面粉样品碳化后，形成的天然多孔结构，该结构对于界面化光热转换具备特殊意义。

A Carbon-based Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种碳基材料及其制备方法
本专利技术涉及界面式太阳能海水淡化领域，具体涉及一种碳基材料及其制备方法。
技术介绍
太阳能是一种典型的清洁环保型能源，可用做解决环境污染和能源危机的替代能源。因此，它已经吸引了来自世界各地的相关科学界和社会团体的高度关注。而且，它在很多领域都得到了广泛的应用，如氢气生产、太阳能热发电、光伏电池、光催化、水净化等。海水淡化，就是指将海水里面的溶解性矿物质盐分、有机物、细菌和病毒以及固体分离出来，得到人们可以喝的、使用的淡水的一个过程。从能量转换角度来分析,它是将其它的能量转化为盐水分离能的过程。就海水淡化技术发展到目前的情况，按性质可分为物理方法和化学方法俩大类。物理方法中的蒸馏法最为简单常见：通过加热海水使之沸腾汽化，水蒸气再冷凝成淡水的方法，对于水质要求低，并且使用太阳能蒸馏是一种环保、节能、高效的方法。目前使用太阳能生产蒸汽的技术依赖于材料表面吸收太阳辐射，并将积聚的热量传递给散装水直接或间接通过中间传热流体，因为光损失高，表面热损失大，或需要真空，以减少对流热损失，这增加了光热系统的成本及复杂性。因此，非常需要开发出用具有成本效益和高效率的太阳能收集系统。低成本的微/纳米结构的光热系统，最近已经成为一种有前途的方法。用纳米颗粒(NP)接种的流体，因为流体温度均匀的通过容积吸收器使表面能量损失最小化并提高热导率。尽管如此，吸引人的重要问题是，这种情况下的纳米粒子由于吸收和散射入射光而被浪费。为了克服这个问题，出现了许多方法。诸如碳基泡沫，多孔阳极氧化铝和纤维素膜定位吸收，材料上的气水界面能更有效率和成本效益的使蒸汽生成。在这些平台中，通过热定位产生的蒸汽通过光吸收，绝热和毛细管作用的协作。使用各种黑色材料(如多孔碳材料)的吸收体，金属等离激元结构和半导体纳米粒子被证明能有效的吸收太阳能。用于热定位的基材起着绝热体的作用，减少了汽化区域和散装液体之间的热传递。由于通道毛细管效应，在负压和蒸汽逸出的水输送支持，局部蒸发效率提高了约64％。另外，使用的太阳能集热器进一步提高热效率达85-90％。主流的吸收太阳光的功能层有金属类，如有团队专利技术使用铝的三层薄膜，还有团队专利技术使用氧化钛核壳结构；还有碳基材料类，如有团队制作的石墨烯气凝胶薄膜，还有团队制作使用的氮掺杂多孔石墨烯薄膜；还有就是生物材料逐渐被广泛引入，并且取得了一些列良好的，有团队利用蘑菇碳化作为一个吸收涂层，拥有78％的太阳能转换效率,另一个团队用木头做一个简单的表面碳化，就得到了72％的转换效率，胡良兵团队利用木头在光热转换方面也做出了一些列工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳基材料及其制备方法，解决了目前使用太阳能生产蒸汽的技术依赖于材料表面吸收太阳辐射，并将积聚的热量传递给散装水直接或间接通过中间传热流体，因为光损失高，表面热损失大，或需要真空，以减少对流热损失，增加了光热系统的成本及复杂性且不利于大规模的工业化生产的问题。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供的一种碳基材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将淀粉和水进行混合，得到初步材料，其中，淀粉和水的质量比为1：(1～1.5)；步骤2，将步骤1得到的初步材料进行冷冻干燥，得到预制件；步骤3，将步骤2得到的预制件进行高温碳化制成碳泡沫基体；步骤4，将步骤3制备所得的碳泡沫基体放入多巴胺溶液进行浸泡24～48h，之后室温干燥，即得到多巴胺沉积碳泡沫基体。优选地，步骤1中，向淀粉和水中加入酵母，其中，淀粉、酵母和水的质量比为：1：1：(2～2.5)。优选地，步骤3中，高温碳化具体包括三种方式，分别是：第一种，在氩气中碳化，温度为500～1000℃，时间为1～2h；第二种，在空气中碳化，温度为300～800℃，时间为1～2h；第三种，在真空中碳化，温度为500～1000℃，时间为1～2h。一种碳基材料，基于一种碳基材料的制备方法制备所得。优选地，所述碳基材料为三维交联网状等级孔结构，该碳基材料的比表面积为500～2300m2/g，介孔含量为30～70％，介孔孔径大小为1.7～60nm，碳基吸附材料与水的接触角大于120°。一种双微型海水淡化装置，包括外壳本体、蒸发器皿、导管和碳基块，蒸发器皿放置在外壳本体的内腔中，蒸发器皿通过导管固定在外壳本体上，导管的自由端穿过外壳本体将蒸发器皿与海水连通；碳基块放置在蒸发器皿的内腔中；所述碳基块由一种碳基材料的制备方法制备所得。优选地，外壳本体的外侧沿其圆周方向均布有三个连接件，每个连接件上设置有一个漂浮球。优选地，外壳本体的上端设置有盖体，所述盖体和外壳本体之间设置为分离式结构。优选地，盖体铺设由疏水膜。优选地，外壳本体和盖体之间、导管和外壳本体之间均通过丁基防水胶带封闭连接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种碳基材料的制备方法，将淀粉和水进行混合制备碳基材料，是通过面粉样品碳化后，形成的天然多孔结构，该结构对于界面化光热转换具备特殊意义；同时，在制备淡水时候可以改善水体环境，保护自然环境；同时，选择廉价高效的生物质基碳材料，更加有利于缩减制备成本。进一步的，通过增加酵母，用以增加淀粉和水之间的胶粘性。本专利技术提供的一种双微型海水淡化装置，由外壳本体和蒸发器皿形成微水层，通过连通器原理实现，该装置内外结构选择导热性完全相反的材料，可以最大程度保证收集到太阳能高效利用和冷凝水的高效回收；由碳基块和蒸发器皿形成微水膜结构，利用了最新的太阳能驱动蒸汽界面化转换技术，通过选择一种多孔碳材料自漂浮于水面上，形成一种局部热区，极大化的减少热量损失，高效的利用太阳能进行海水淡化。进一步的，设置的漂浮球对于装置的配重及稳定性实现具有重要意义。附图说明图1是本专利技术涉及的双微型淡化海水装备淡化海水结构示意图；其中，1、外壳本体2、蒸发器皿3、导管4、漂浮球5、连接件；图2是未碳化的块体材料在XRD下表面形貌图；图3是碳化后的块体材料在XRD下的内部微观形貌图；图4是碳基体材料的XRD衍射图谱；图5是高斯函数拟合碳基体材料的拉曼光谱；图6是未碳化材料和碳基体材料的XPS光谱，其中，插图:碳基体材料接触角测试；图7是未碳化材料和碳基体材料的红外光谱；图8是红外仪照射下的块体材料表面。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术提供的一种碳基材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，按照1：(1～1.5)的质量百分计将淀粉和水进行混合，得到初步材料；步骤2，将得到的初步材料进行-50～-70℃下冷冻干燥20～50h，得到预制件；步骤3，将步骤2得到的预制件进行高温碳化制成碳泡沫基体；步骤4，将步骤3制备所得的碳泡沫基体放入多巴胺溶液浸泡，之后室温干燥，即得到多巴胺沉积碳泡沫基体。进一步的，在步骤1中，向淀粉和水中加入酵母，其中，淀粉、酵母和水的质量百分比为：1：1：(2～2.5)，用于增加淀粉和水胶粘性。进一步的，步骤4中的多巴胺溶液沉积碳泡沫基体的比表面积为500～2300m2/g，介孔含量为30～70％，微观呈现出三维交联网状等级孔结构，介孔孔径大小为1.7～60nm，碳基吸附材料与水的接触角大于120°。一种双微型海水淡化装置，包括外壳本体1和蒸发器皿2，其中，本体1为子弹状的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将淀粉和水进行混合，得到初步材料，其中，淀粉和水的质量比为1：(1～1.5)；步骤2，将步骤1得到的初步材料进行冷冻干燥，得到预制件；步骤3，将步骤2得到的预制件进行高温碳化制成碳泡沫基体；步骤4，将步骤3制备所得的碳泡沫基体放入多巴胺溶液进行浸泡24～48h，之后室温干燥，即得到多巴胺沉积碳泡沫基体。

【技术特征摘要】
1.一种碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将淀粉和水进行混合，得到初步材料，其中，淀粉和水的质量比为1：(1～1.5)；步骤2，将步骤1得到的初步材料进行冷冻干燥，得到预制件；步骤3，将步骤2得到的预制件进行高温碳化制成碳泡沫基体；步骤4，将步骤3制备所得的碳泡沫基体放入多巴胺溶液进行浸泡24～48h，之后室温干燥，即得到多巴胺沉积碳泡沫基体。2.根据权利要求1所述的一种碳基材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，向淀粉和水中加入酵母，其中，淀粉、酵母和水的质量比为1：1：(2～2.5)。3.根据权利要求1所述的一种碳基材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，高温碳化具体包括三种方式，三种方式分别是：第一种，在氩气中碳化，温度为500～1000℃，时间为1～2h；第二种，在空气中碳化，温度为300～800℃，时间为1～2h；第三种，在真空中碳化，温度为500～1000℃，时间为1～2h。4.一种碳基材料，其特征在于，基于权利要求1-3中任一项所述的一种碳基材料的制备方法制备所得。5.根据权利要求4所述的一种碳基材料，其特征在于，所述碳基材料为三维交联网状等级孔结构，该碳基材料的比表面积为50...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成兵，李泽宇，李政通，王伟，苏进步，凌三，王九龙，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61