一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器及制备方法和应用

本发明属于光热蒸发器的制备和界面水蒸发领域，具体涉及一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器及制备方法和应用。

背景技术：

1、虽然地球水的覆盖面积高达70％，但陆地淡水资源只占6％，可以直接利用的仅占0.4％。近年来，由于人口的快速增长和工业的快速发展，大量的生活和工业废水排放导致地下水源严重受损。目前，可以饮用卫生水的人口比较少。淡水资源的严重匮乏及污染已成为亟待解决的问题。而太阳能作为一种环保，绿色且低能耗的可再生能源在界面水蒸发领域受到了广泛关注。太阳能界面水蒸发技术自2014年首次提出以来，由于其良好的光利用率，光热转换效率，能量管理等优点迅速被大量应用。然而其蒸发速率仍然受到一些缺点的限制，如光吸收及光转热性能低，耐盐性差，水传输能力差和热量损耗等。

2、在界面太阳能蒸发器的设计中关键的组成部分是其光热材料。光热材料的设计与利用是有效利用界面太阳能蒸发器的前提步骤。目前常见的光热材料包括碳基材料、等离子体纳米粒子、半导体材料等。半导体由于其稳定的太阳能到蒸汽转换效率、良好的化学稳定性和丰富的自然资源而被认为是最有前途的光热转换材料之一。

3、目前在半导体基光热材料中金属硫化物是一种具有宽光谱响应能力的窄带隙半导体材料，同时也具有较好的光热转换效率。二硫化钼(mos2)由于其具有窄的带隙结构(0.59ev)和宽光吸收范围(从近紫外到近红外)能够实现良好的光吸收和光转热而在太阳能界面蒸发中被大量使用。但是目前还没有一种良好耐盐性和优异水传输能力的合适载体，使二硫化钼在太阳能光热界面水蒸发中进行应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器及制备方法和应用，制备过程简单、成本低廉、原料易得，丰富的网络及多孔结构降低水的蒸发焓，光热蒸发效率高稳，具有光吸收能力强、原料成本低、易于批量制造，机械和化学稳定性强的优点。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

4、s1，将聚乙烯醇在去离子水中进行溶胀，之后加入mos2纳米颗粒后进行溶解，聚乙烯醇和mos2纳米颗粒的质量比为72：(0.9～3.6)，得到混合液；

5、s2，将戊二醛和盐酸在搅拌的状态下，加入到混合液中，戊二醛和s1中mos2纳米颗粒的比例为(80～120)μl：(0.09～0.36)g，得到混合体系，之后将混合体系在密封的环境下室温静置，得到交联体系；

6、s3，将交联体系进行冷冻和溶解，之后去除多余的戊二醛，得到具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器。

7、优选的，s1将每7.2g聚乙烯醇在64.8ml去离子水中溶胀12～16h，再加入mos2纳米颗粒。

8、优选的，s1中所述的mos2纳米颗粒按如下过程得到：

9、将每1g mos2和1ml去离子水在球磨罐中混合，碾磨1～2h后得到均匀的mos2悬浮液，之后干燥所述mos2悬浮液，得到mos2纳米颗粒。

10、优选的，s1在85～95℃下溶解mos2纳米颗粒，之后将混合液冷却至室温后再加入戊二醛和盐酸。

11、优选的，s2所述的搅拌速率为15～25rpm，之后分别以8～10μl/min和10～12μl/min的速率逐滴加入到混合液中，得到混合体系。

12、优选的，s2将混合体系密封在高度为0.5～2cm的模具中室温静置22～26h，得到交联体系。

13、优选的，s3将交联体系在-22～-18℃下冷冻7～9h，再在23～25℃下溶解2.5～3.5h，重复上述冷冻和冷冻过程6～8次，再去除多余的戊二醛。

14、进一步，s3通过在去离子水中浸泡22～26h的方式去除多余的戊二醛。

15、一种由上述任一项所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法得到的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器。

16、具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器在太阳能光热界面水蒸发中的应用。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明一种具有可调孔隙结构的mos2基水凝胶蒸发器的制备方法，聚乙烯醇具有良好的水溶胀能力和优异的亲水性，所含的亲水官能团(-oh)可以增强水凝胶的水合能力，增加其网络中中间水的比例，从而降低水的蒸发焓，从而进一步加快海水淡化速率。pva和戊二醛根据缩醛反应得到交联：pva链中所含的两个相邻羟基与ga的醛基缩合形成稳定的六元环结构，将两条不同的pva链连接成一个环，最后形成链状pva分子，成为网络结构。mos2的添加量过高则会堵塞pva水凝胶的孔径影响水的传输，相反mos2的添加量过低不利于复合水凝胶的光吸收。水作为一种极性分子，o和h原子之间的电荷差使水分子通过氢键相互吸引。在正常情况下，水以固态(冰)，液态和气态(蒸气)形式存在，每个相都有不同的氢键网络。水的蒸发涉及多个氢键的断裂以产生孤立的气态水分子。冷凝后，可以对动态氢键网络进行重整。pva与ga的比例会严重影响水凝胶的强度和变形性，一般来说，更多的交联剂会使每个pva分子与其交联，形成更致密、更刚性的网络结构，ga添加量过低则会使得化学交联变弱，无法形成稳定的网络结构。本方法利用具有良好光热性能的mos2与具有多孔结构的pva水凝胶结合作为界面海水淡化的光热蒸发器具有极大的优势：第一，该光热蒸发器的合理设计不仅促进了良好的光吸收效率，也实现了高效的光转热，对太阳光的利用率得到了提升。第二，在界面蒸发处的温度高于海水中的温度，该温度梯度也进一步促进水的向上传输。除此之外，在界面蒸发处实现的快速水蒸发推动了界面处的冷却效果，从而进一步促进水的向上传输。第三，该海水蒸发器侧边的温度略低于环境温度，可以促进其从环境中汲取更多的热量从而促进海水的蒸发速率。这些优势克服了目前海水淡化过程中对光的利用率差，光热转化效率低，水传输能力差，盐累积而导致的蒸发速率低下，能量散失的问题。

19、进一步的，高度为0.5～2cm的模具可以形成合适的水凝胶厚度，这有利于水分的向上传输，可以避免由于水传输通道过长造成传输速率下降以及蒸发器过薄而造成的热量损失。

20、本发明的mos2基水凝胶蒸发器的内部间隙、水传输微通道和三维交联聚合物网络结构可以保证海水蒸发时水分的快速补充，并防止盐分积聚，具有优异的界面海水蒸发速率，可实现高效光吸收和光转热、出色的耐盐性、低热传质和较少的热损失的高效海水蒸发速率，使其能在太阳能界面蒸发中广泛应用。优异的性能和聚合网络结构的设计使其成为一种很有前途的海水淡化蒸发器。

21、本发明的mos2基水凝胶蒸发器在太阳能光热界面水蒸发中的应用时，相比于纯pva水凝胶蒸发器，负载具有良好光热性能的mos2复合水凝胶蒸发器海水蒸发速率明显提高，其海水蒸发速率提高约8倍。

技术特征：

1.一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s1将每7.2g聚乙烯醇在64.8ml去离子水中溶胀12～16h，再加入mos2纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s1中所述的mos2纳米颗粒按如下过程得到：

4.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s1在85～95℃下溶解mos2纳米颗粒，之后将混合液冷却至室温后再加入戊二醛和盐酸。

5.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s2所述的搅拌速率为15～25rpm，之后分别以8～10μl/min和10～12μl/min的速率逐滴加入到混合液中，得到混合体系。

6.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s2将混合体系密封在高度为0.5～2cm的模具中室温静置22～26h，得到交联体系。

7.根据权利要求1所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s3将交联体系在-22～-18℃下冷冻7～9h，再在23～25℃下溶解2.5～3.5h，重复上述冷冻和冷冻过程6～8次，再去除多余的戊二醛。

8.根据权利要求7所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，s3通过在去离子水中浸泡22～26h的方式去除多余的戊二醛。

9.一种由权利要求1～8中任一项所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器的制备方法得到的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器。

10.如权利要求9所述的具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器在太阳能光热界面水蒸发中的应用。

技术总结本发明公开了一种具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器及制备方法和应用，所述方法将聚乙烯醇在去离子水中进行溶胀，之后加入MoS<subgt;2</subgt;纳米颗粒后进行溶解，聚乙烯醇和MoS<subgt;2</subgt;纳米颗粒的质量比为72：(0.9～3.6)，得到混合液；将戊二醛和盐酸在搅拌的状态下，加入到混合液中，戊二醛和S1中MoS<subgt;2</subgt;纳米颗粒的比例为(80～120)μL：(0.09～0.36)g，得到混合体系，之后将混合体系在密封的环境下室温静置，得到交联体系；将交联体系进行冷冻和溶解，之后去除多余的戊二醛，得到具有可调孔隙结构的二硫化钼基水凝胶蒸发器，克服了目前海水淡化过程中对光的利用率差，光热转化效率低，水传输能力差，盐累积而导致的蒸发速率低下，能量散失的问题。技术研发人员：王传义,崔永倩,梁芯芯,王静怡,黄欣,张晓龙受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9