本發(fā)明屬于復(fù)合功能材料，涉及一種木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、太陽(yáng)能作為最清潔、可持續(xù)的能源，近年來(lái)推動(dòng)了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的發(fā)展，尤其是太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)（spie）因其光熱材料使用量少、光熱轉(zhuǎn)換效率高、熱損失低而備受關(guān)注。木材作為一種天然的固碳材料，與基于石油的化合物相比，在蒸發(fā)器制備過(guò)程中能顯著減少全球碳排放。更重要的是，木材的天然多孔結(jié)構(gòu)提供了毛細(xì)效應(yīng)和100-170%的儲(chǔ)水能力，使其成為理想的spie基材。

2、然而，進(jìn)一步提高木基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器（w-spie）的蒸發(fā)速率仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、二維材料mxene的共軛效應(yīng)和局域表面等離子共振增強(qiáng)了其光熱轉(zhuǎn)換和光吸收能力。ti3c2tx在特定波長(zhǎng)下可以實(shí)現(xiàn)接近100%的光熱轉(zhuǎn)換效率。木質(zhì)素是地球上第二大可再生資源，含有大量芳香環(huán)和共軛結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。但在部分波長(zhǎng)下（尤其是紫外波段）ti3c2tx的光吸收能力有所欠缺，而木質(zhì)素在可見(jiàn)光與近紅外波段的光吸收能力有些許缺陷。因此如何提升這兩種光熱材料的光吸收能力對(duì)推進(jìn)他們的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

2、在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)spie中，蒸發(fā)過(guò)程涉及水通過(guò)木材通道的流動(dòng)。增加水流速不僅提高了蒸發(fā)速率，還增強(qiáng)了流動(dòng)電勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)水與固體的直接相互作用通過(guò)一種稱為流動(dòng)電勢(shì)的過(guò)程產(chǎn)生電能，在狹窄通道中，電解質(zhì)在壓力梯度下產(chǎn)生電壓。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為使用納米材料進(jìn)行水能收集奠定了基礎(chǔ)。在蒸發(fā)過(guò)程中收集電能對(duì)緩解能源短缺和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。隨著研究的進(jìn)展，這一現(xiàn)象的機(jī)制逐漸被揭示。在蒸發(fā)過(guò)程中，水通過(guò)多孔介質(zhì)，在固液界面生成電雙層（edl），從而產(chǎn)生流動(dòng)電壓和電流。此外，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，蒸發(fā)器內(nèi)部的鹽濃度比初始溶液增加。蒸發(fā)器與待凈化海水之間的濃度差與電雙層edl協(xié)同作用，增強(qiáng)了生成流動(dòng)電勢(shì)的條件。已開(kāi)發(fā)出由金屬材料、多孔碳材料等制成的設(shè)備來(lái)收集這種電能。

3、然而，由于水流阻力大和水與材料相互作用弱，收集到的電能往往不足。改進(jìn)這點(diǎn)需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)和增加水流速。因此，重新設(shè)計(jì)木材的孔結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)流動(dòng)電勢(shì)從而為推動(dòng)水伏發(fā)電落地具有重要意義。此外，這一過(guò)程也符合提升蒸發(fā)速率這一目標(biāo)。

4、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器及其制備方法，制備的木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器在提升蒸發(fā)速率的同時(shí)可以增強(qiáng)流動(dòng)電勢(shì)。

5、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

6、第一方面，提供一種木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的制備方法，包括以下步驟：

7、s1，制備脫除木質(zhì)素后的巴沙木塊模板dw；

8、s2，基于所述巴沙木塊模板dw，制備孔隙中具有微納米纖維交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重筑木rw；

9、s3，將木質(zhì)素納米顆粒lnps與ti2c3tx懸浮液混合，制備光熱材料lmx；

10、s4，將所述光熱材料lmx涂布于重筑木rw表面制得木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器。

11、在一些實(shí)施例中，步驟s1中，制備脫除木質(zhì)素后的巴沙木塊模板dw，包括：

12、將巴沙木塊放置于容器中，加入乙酸鹽緩沖溶液與亞氯酸鈉，加熱反應(yīng)，以去除木質(zhì)素；

13、反應(yīng)完成后將巴沙木塊浸泡在水中，對(duì)巴沙木塊進(jìn)行親水性改性，得到含水的巴沙木塊模板dw。

14、需要說(shuō)明的是，亞氯酸鈉脫除木質(zhì)素的機(jī)制是二氧化氯會(huì)與木質(zhì)素的酚類和非酚類末端進(jìn)行單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，形成亞氯酸鹽及非酚類自由基中間體，隨后二氧化氯會(huì)與自由基物質(zhì)反應(yīng)生成次氯酸酯，該反應(yīng)的有效性取決于溶液的ph值，在高ph下該反應(yīng)傾向于生成氯酸鹽抑制木質(zhì)素氧化，而低ph下則相反，因此需要使用緩沖液使溶液ph值變化較小，從而最大限度生成氯化物減少亞氯酸鹽與氯酸鹽的生成，以高效去除木質(zhì)素。

15、在一些實(shí)施例中，步驟s1中，至少滿足以下任意一項(xiàng)：

16、所述巴沙木塊的體積尺寸為2*2*2?cm3；

17、所述乙酸鹽緩沖溶液為ph=4.6的乙酸-乙酸鈉鹽緩沖溶液；

18、所述加熱反應(yīng)包括：容器封口后采用水浴加熱，加熱溫度為70~90°c，優(yōu)選為80?°c；

19、所述將巴沙木塊浸泡在水中包括：在0.04~0.08?mpa壓力下浸泡，優(yōu)選為在0.05~0.06?mpa壓力下浸泡。

20、需要說(shuō)明的是，過(guò)高的溫度會(huì)使得除木質(zhì)素外的半纖維素過(guò)度降解，從而使木材原本結(jié)構(gòu)坍塌，不利于木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的制備。因此控制在加熱溫度為70~90°c較好。

21、在一些實(shí)施例中，步驟s2，具體包括：

22、將所述巴沙木塊模板dw置于無(wú)水乙醇中浸泡，以去除水分；

23、將含乙醇的巴沙木塊模板dw置于二甲基乙酰胺dmac中浸泡，以去除乙醇；

24、將含二甲基乙酰胺dmac的巴沙木塊模板dw置于licl的二甲基乙酰胺溶液中反應(yīng)，以使木材細(xì)胞壁纖維素部分溶解；

25、將纖維素部分溶解的巴沙木塊模板dw置于反溶劑丙酮中反應(yīng)，以使溶解的纖維素原位生成網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，然后置于去離子水中浸泡以去除丙酮，得到含水的重筑木rw。

26、需要說(shuō)明的是，licl會(huì)與纖維素中的羥基相互作用形成離子對(duì)或絡(luò)合物，這些離子對(duì)削弱了纖維素內(nèi)部和分子之間的氫鍵作用，此外二甲基乙酰胺dmac是一種極性很強(qiáng)的溶劑，當(dāng)纖維素內(nèi)部及分子間氫鍵被破壞后可以穩(wěn)定的溶解于dmac中。

27、在一些實(shí)施例中，步驟s2中，至少滿足以下任意一項(xiàng)：

28、所述浸泡為在0.04~0.08?mpa壓力下浸泡，優(yōu)選為在0.05~0.06?mpa壓力下浸泡；

29、所述licl的二甲基乙酰胺溶液中l(wèi)icl的質(zhì)量濃度6~10?wt%，優(yōu)選為8?wt%；

30、將含二甲基乙酰胺dmac的巴沙木塊模板dw置于licl的二甲基乙酰胺溶液中反應(yīng)包括：反應(yīng)溫度為25~40°c，在0.04~0.08?mpa壓力下反應(yīng)，優(yōu)選反應(yīng)溫度為35°c，在0.06mpa壓力下反應(yīng)；

31、將纖維素部分溶解的巴沙木塊模板dw置于反溶劑丙酮中反應(yīng)包括：反應(yīng)溫度為25~40°c，在0.04~0.08?mpa壓力下反應(yīng)，優(yōu)選反應(yīng)溫度為35°c，在0.06?mpa壓力下反應(yīng)；

32、在得到含水的重筑木rw之后，還包括將所述重筑木rw通過(guò)液氮冷凍并進(jìn)行冷凍干燥待用。

33、在一些實(shí)施例中，步驟s3中，木質(zhì)素納米顆粒lnps以固體質(zhì)量計(jì)，木質(zhì)素納米顆粒lnps的加入量為ti2c3tx懸浮液中ti2c3tx的5-15wt%。

34、需要說(shuō)明的是，光熱材料lmx中木質(zhì)素納米顆粒lnps的添加量過(guò)少對(duì)于光熱材料ti2c3tx的光吸收能力提升未達(dá)到最大值，而過(guò)量添加會(huì)使片ti2c3tx層間的孔隙被過(guò)多阻塞，從而影響水蒸發(fā)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素納米顆粒lnps的添加量控制在5-15wt%效果較好，可以極大的提升光吸收能力。

35、所述ti2c3tx懸浮液的濃度為5~15?mg/ml，優(yōu)選為10?mg/ml。

36、在一些實(shí)施例中，步驟s3中，所述木質(zhì)素納米顆粒lnps的制備方法包括：將木質(zhì)素溶解于丙酮溶液中得到木質(zhì)素溶液；在攪拌條件下將木質(zhì)素溶液滴加入水中，得到木質(zhì)素納米顆粒lnps。

37、進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，所述丙酮溶液中丙酮與水以體積比為4:1；

38、在一些實(shí)施例中，木質(zhì)素溶液的濃度為100?mg/ml；

39、在一些實(shí)施例中，在攪拌條件下將木質(zhì)素溶液滴加入水中，包括：木質(zhì)素溶液與水的體積比為1:50，以0.5~2?ml/min（優(yōu)選為1?ml/min）的速率滴加，滴加的過(guò)程以500?rpm的速率持續(xù)攪拌，滴加的過(guò)程結(jié)束后繼續(xù)在溫度25~32°c（優(yōu)選為30°c）下持續(xù)攪拌1~8h。

40、在一些實(shí)施例中，在步驟s4中，所述重筑木rw上光熱材料lmx的涂布量為0.1~1ml，優(yōu)選為0.6~0.7?ml。

41、第二方面，提供一種木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器，通過(guò)上述的制備方法制備而成。

42、第三方面，提供上述的木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器在海水淡化和/或發(fā)電器件中的應(yīng)用

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

44、本發(fā)明提供的一種木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器及其制備方法，首先通過(guò)ph=4.6的醋酸/醋酸鈉緩沖溶液和亞氯酸鈉對(duì)巴沙木塊進(jìn)行脫木質(zhì)素處理，通過(guò)氯化物的氧化使得木質(zhì)素被去除從而使木材的親水性得以提升，此外也使木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得相對(duì)疏松、細(xì)胞壁間距增加，利于水分傳輸。隨后通過(guò)將脫除木質(zhì)素的木材模板dw通過(guò)細(xì)胞壁工程，依次真空浸漬在乙醇、n,n-二甲基乙酰胺（dmac），licl/dmac溶液中，通過(guò)licl與纖維素羥基形成的離子對(duì)削弱纖維素之間的氫鍵結(jié)合從而使其穩(wěn)定溶解在極性很強(qiáng)的dmac中。反應(yīng)結(jié)束后將其置于反溶劑丙酮中使纖維素在木材內(nèi)部原位再生，dw成為內(nèi)部孔隙中具有網(wǎng)絡(luò)交織狀微納米纖維的微納結(jié)構(gòu)重筑木（rw）經(jīng)冷凍干燥后備用，這一步使木材細(xì)胞的細(xì)胞壁進(jìn)一步變薄拓寬了孔隙結(jié)構(gòu)并額外制造了一些孔隙結(jié)構(gòu)大大提升比表面積，同時(shí)在孔隙內(nèi)部填充了富含羥基的纖維素提升毛細(xì)作用。此外，將制備好的木質(zhì)素納米顆粒分散液與ti3c2tx分散液充分和混合，并經(jīng)超聲分散后作為光熱材料（lmx）涂布于rw表面，制得木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器/發(fā)電器件（lmx-rw）。本發(fā)明制得的全新光熱材料lmx具有極高的光熱轉(zhuǎn)換效率，在極少lmx添加量的情況下蒸發(fā)界面處即有較高的溫度從而促進(jìn)水分蒸發(fā)，因此lmx-rw在一個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度照射下具有優(yōu)異的蒸發(fā)速率，且可以同時(shí)對(duì)凈化的淡水資源與電能進(jìn)行收集，這個(gè)過(guò)程中蒸發(fā)速率并無(wú)明顯下降，為解決淡水資源匱乏、能源緊張問(wèn)題以及拓寬木材應(yīng)用方向提供新思路。