一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法

1.本发明涉及一种双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法。


背景技术：

2.淡水资源匮乏是人类面对的一大难题，如何低廉巧妙地获得饮用水是十分迫切地，为了应对这个问题，人们探索了各种技术，现有的海水淡化工艺分为两种，为热淡化和膜技术，热淡化分为多级闪蒸和多效蒸馏，应用最是广泛，热淡化是通过加热使污染的水源蒸发，效率非常低，甚至得不偿失。后来随着膜技术海水淡化的加入，通过制作特殊薄膜，对海水施加压力，水通过，盐分留在膜表面，获得淡水资源，压力需要水泵来实现，从而消耗大量的电能，所以，作为自然界中所有可再生能源中最丰富的能源——太阳能，每年照射在地球表面上的太阳能比所有不可再生的能源的总和还要大，并且作为清洁能源，对环境没有伤害目前的海水淡化技术一般为单面吸收太阳光，但是现有的海水淡化器件或者没有离开散装水表面，造成了一定程度上热能浪费，从而降低了蒸发效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的是要解决现有海水淡化技术采用的器件或材料为单面吸收太阳光，造成热能浪费，蒸发效率降低的问题，而提供一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法。
4.一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
5.一、配制纺丝液：
6.①
、将聚乙烯醇缩丁醛溶于无水乙醇中，得到pvb溶液；
7.②
、将al(no3)3加入到去离子水中，再水浴加热下搅拌，得到al(no3)3溶液；
8.③
、将pvb溶液与al(no3)3溶液混合，得到纺丝液；
9.二、静电纺丝：
10.对纺丝液进行静电纺丝，得到静电纺丝薄膜；
11.三、制备静电纺丝多孔陶瓷薄膜：
12.①
、将静电纺丝薄膜在空气气氛和190℃～210℃的条件下进行预氧化，得到预氧化后的静电纺丝薄膜；
13.②
、将预氧化后的静电纺丝薄膜在惰性气氛保护下碳化，得到静电纺丝多孔陶瓷薄膜；
14.四、以eptfe膜作为夹层，将其置于带胶的石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜之间，利用石墨烯膜上的胶将石墨烯膜与静电纺丝多孔陶瓷薄膜粘接在一起，得到具备janus模型的陶瓷基双层水蒸发器器件，即为基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件。
15.基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
16.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
17.所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。
18.基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
19.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的上、下部分别夹上铜电极，下部铜电极浸入到海水中，上部的铜电极暴露在空气中，海水被eptfe膜吸收，海水的上升有了一定的盐梯度变化，从而产生电压，进行发电，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
20.所述的下部铜电极浸入到海水中的距离为0.2cm～0.3cm。
21.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
22.一、本发明利用静电纺丝技术，经过预氧化、碳化，得到碳/陶瓷复合的多孔材料(静电纺丝多孔陶瓷薄膜)，提高膜的吸光性，并且将pvb碳化后固定或包裹在致密的陶瓷纤维中，这样防止陶瓷纳米颗粒流失，并且碳材料具有很强的光吸收能力，能够通过晶格振动将光能转化为热并外界提供较小的能量，碳材料中大量存在的电子即可从p轨道激发到p*轨道，又增强了吸光的性能；
23.二、本发明使碳与陶瓷结合后制备的静电纺丝多孔陶瓷薄膜增强了机械强度，更好的面对复杂的海上环境；
24.三、由于碳材料的疏水，夹层eptfe膜亲水，构成的janus结构，使得水在亲水膜中的爬坡效果较好，这样既可以保证水传输的速度、提高水的蒸发速度，又可以提高的器件的抗盐性；
25.四、现有的蒸发器为单面吸收光的器件，而本发明制备的器件为双面吸收光的水蒸发器，进一步提高光的吸收率，而此器件复合石墨烯膜，接受太阳光有一定的角度，离开了散装水表面，可以实现双面吸收光避免热能浪费，也可以通过优化角度达到更高的吸收；
26.五、现有大多数海上应用一般都是独立的，分别是海水淡化与海上发电，而本发明可以将两者巧妙的结合在一起，更充分的利用清洁能源太阳能；
27.六、本发明制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件用以解决淡水资源匮乏问题，并且利用盐差进行发电，工作时底部浸入水中，并且表现出良好的稳定性，与传统的太阳能蒸发器件相比，有着良好的界面太阳能蒸汽淡化，在一个太阳下的蒸发效率可以达到14.07kg m-2
h-1
；
28.七、本发明在利用清洁能源的基础上，在工作时，不仅离开了散装水表面，提高了光热转化效率，并且利用海水的盐梯度的变化，使器件产生电能，更加充分利用太阳能，在海水淡化与废水处理方面有着较高的性能，可以达到饮用水的标准，为解决水资源短缺的问题提供了思路与方法。
附图说明
29.图1为实施例1制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制作流程示意图；
30.图2为实施例1步骤三
②
制备的静电纺丝多孔陶瓷薄膜的sem图；
31.图3为实施例1步骤四制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的接触角测试图；
32.图4为实施例1步骤四制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件在一个太阳光下的红外图像。
具体实施方式
33.具体实施方式一：一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
34.一、配制纺丝液：
35.①
、将聚乙烯醇缩丁醛溶于无水乙醇中，得到pvb溶液；
36.②
、将al(no3)3加入到去离子水中，再水浴加热下搅拌，得到al(no3)3溶液；
37.③
、将pvb溶液与al(no3)3溶液混合，得到纺丝液；
38.二、静电纺丝：
39.对纺丝液进行静电纺丝，得到静电纺丝薄膜；
40.三、制备静电纺丝多孔陶瓷薄膜：
41.①
、将静电纺丝薄膜在空气气氛和190℃～210℃的条件下进行预氧化，得到预氧化后的静电纺丝薄膜；
42.②
、将预氧化后的静电纺丝薄膜在惰性气氛保护下碳化，得到静电纺丝多孔陶瓷薄膜；
43.四、以eptfe膜作为夹层，将其置于带胶的石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜之间，利用石墨烯膜上的胶将石墨烯膜与静电纺丝多孔陶瓷薄膜粘接在一起，得到具备janus模型的陶瓷基双层水蒸发器器件，即为基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件。
44.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一
①
中所述的pvb溶液的质量分数为10％～12％。其它步骤与具体实施方式一相同。
45.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一
②
中将al(no3)3加入到去离子水中，再在40℃～50℃下水浴加热下搅拌1h～3h，得到al(no3)3溶液；步骤一
②
中所述的al(no3)3溶液的质量分数为35％～45％。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
46.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一
③
中所述的pvb溶液与al(no3)3溶液的体积比为2:1。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
47.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的静电纺丝的工艺参数为：施加电压为18kv，针头与接收器的距离为10cm，针头的推进速度为1ml/h，静电纺丝的型号为20g，静电纺丝中收集器为转轴型收集器，其转速为50rpm，静电纺丝的工作时间为6h～12h。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
48.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三
①
中所述的预氧化时间为2h～3h。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
49.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三
②
中所述的碳化的温度为900℃，碳化的时间为2h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
50.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的eptfe膜的厚度为0.25mm；步骤四中所述的带胶的石墨烯膜的厚度为0.3mm；步骤四中所述的静电纺丝多孔陶瓷薄膜的厚度为0.2mm～0.4mm。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
51.具体实施方式九：本实施方式是：所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
52.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
53.所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。
54.具体实施方式十：本实施方式是所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
55.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的上、下部分别夹上铜电极，下部铜电极浸入到海水中，上部的铜电极暴露在空气中，海水被eptfe膜吸收，海水的上升有了一定的盐梯度变化，从而产生电压，进行发电，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
56.所述的下部铜电极浸入到海水中的距离为0.2cm～0.3cm。
57.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
58.实施例1：一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
59.一、配制纺丝液：
60.①
、将聚乙烯醇缩丁醛溶于无水乙醇中，得到溶液ⅰ；
61.步骤一
①
中所述的溶液ⅰ的质量分数为11％；
62.②
、将al(no3)3加入到去离子水中，在40℃下水浴加热下搅拌2h，得到al(no3)3溶液；
63.步骤一
②
中所述的al(no3)3溶液的质量分数为40％；
64.③
、将溶液ⅰ与al(no3)3溶液混合，得到纺丝液；
65.步骤一
③
中所述的溶液ⅰ与al(no3)3溶液的体积比为2:1；
66.二、静电纺丝：
67.对纺丝液进行静电纺丝，得到静电纺丝薄膜；
68.步骤二中所述的静电纺丝的工艺参数为：施加电压为18kv，针头与接收器的距离为10cm，针头的推进速度为1ml/h，静电纺丝的型号为20g，静电纺丝中收集器为转轴型收集器，其转速为50rpm，静电纺丝的工作时间为9h；
69.三、制备静电纺丝多孔陶瓷薄膜：
70.①
、将静电纺丝薄膜在空气气氛和200℃的条件下进行预氧化2h，得到预氧化后的静电纺丝薄膜；
71.②
、将预氧化后的静电纺丝薄膜在惰性气氛保护下碳化，得到静电纺丝多孔陶瓷薄膜；
72.步骤三
②
中所述的碳化的温度为900℃，碳化的时间为2h；
73.四、以eptfe膜作为夹层，将其置于带胶的石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜之间，利用石墨烯膜上的胶将石墨烯膜与静电纺丝多孔陶瓷薄膜粘接在一起，得到具备janus模型的陶瓷基双层水蒸发器器件，即为基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件；
74.步骤四中所述的eptfe膜的厚度为0.25mm，购买自广州聚氟新材料科技有限公司；
75.步骤四中所述的带胶的石墨烯膜的厚度为0.3mm，购买自东莞市骏发电子材料有限公司；
76.步骤四中所述的静电纺丝多孔陶瓷薄膜的厚度为0.2～0.4mm。
77.实施例2：本实施例与实施例1的不同点是：步骤二中所述的静电纺丝的工作时间为6h。其它步骤及参数与实施例1均相同。
78.实施例3：本实施例与实施例1的不同点是：步骤二中所述的静电纺丝的工作时间为12h。其它步骤及参数与实施例1均相同。
79.应用实施例1：
80.实施例1制备的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
81.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
82.所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。
83.应用实施例2：
84.实施例2制备的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
85.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
86.所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。
87.应用实施例3：
88.实施例3制备的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
89.将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；
90.所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。
91.实施例1制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件在一个太阳下的蒸发效率可以达到14.07kg m-2
h-1
。
92.实施例2制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件在一个太阳下的蒸发效率可以达到12.36kg m-2
h-1
。
93.实施例3制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件在一个太阳下的蒸发效率可以达到13.67g m-2
h-1
。
94.图2为实施例1步骤三
②
制备的静电纺丝多孔陶瓷薄膜的sem图；
95.从图2可知：形成的多孔结构有利于水的蒸发，由于多孔结构的形成，增大了器件的比表面积，扩展了器件的吸光面积，提高了光热转换效率。
96.图3为实施例1步骤四制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的接触角测试图；
97.从图3可知：静电纺丝多孔陶瓷薄膜的超疏水性与eptfe亲水膜的亲水性会形成janus结构，这使器件的抗盐性增加，可以重复循环使用。
98.图4为实施例1步骤四制备的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件在一个太阳光下的红外图像；
99.从图4可知：利用红外热成像仪研究了在一个太阳光强度下照射器件表面温度，在光照1min后升温到38.8℃，并且可以看出表面最高温度在45℃左右，在30min以后温度维持在44℃，说明蒸发器升温迅速和具有较强的保温能力。

技术特征：
1.一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：一、配制纺丝液：
①
、将聚乙烯醇缩丁醛溶于无水乙醇中，得到pvb溶液；
②
、将al(no3)3加入到去离子水中，再水浴加热下搅拌，得到al(no3)3溶液；
③
、将pvb溶液与al(no3)3溶液混合，得到纺丝液；二、静电纺丝：对纺丝液进行静电纺丝，得到静电纺丝薄膜；三、制备静电纺丝多孔陶瓷薄膜：
①
、将静电纺丝薄膜在空气气氛和190℃～210℃的条件下进行预氧化，得到预氧化后的静电纺丝薄膜；
②
、将预氧化后的静电纺丝薄膜在惰性气氛保护下碳化，得到静电纺丝多孔陶瓷薄膜；四、以eptfe膜作为夹层，将其置于带胶的石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜之间，利用石墨烯膜上的胶将石墨烯膜与静电纺丝多孔陶瓷薄膜粘接在一起，得到具备janus模型的陶瓷基双层水蒸发器器件，即为基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件。2.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤一
①
中所述的pvb溶液的质量分数为10％～12％。3.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤一
②
中将al(no3)3加入到去离子水中，再在40℃～50℃下水浴加热下搅拌1h～3h，得到al(no3)3溶液；步骤一
②
中所述的al(no3)3溶液的质量分数为35％～45％。4.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤一
③
中所述的pvb溶液与al(no3)3溶液的体积比为2:1。5.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的静电纺丝的工艺参数为：施加电压为18kv，针头与接收器的距离为10cm，针头的推进速度为1ml/h，静电纺丝的型号为20g，静电纺丝中收集器为转轴型收集器，其转速为50rpm，静电纺丝的工作时间为6h～12h。6.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤三
①
中所述的预氧化时间为2h～3h。7.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤三
②
中所述的碳化的温度为900℃，碳化的时间为2h。8.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于步骤四中所述的eptfe膜的厚度为0.25mm；步骤四中所述的带胶的石墨烯膜的厚度为0.3mm；步骤四中所述的静电纺丝多孔陶瓷薄膜的厚度为0.2mm～0.4mm。9.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：
将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件倾斜放置，基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中，海水通过eptfe膜的亲水能力在器件中上升，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的底部浸入到海水中的距离为0.5cm。10.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，其特征在于所述的基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的使用方法如下：将基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的上、下部分别夹上铜电极，下部铜电极浸入到海水中，上部的铜电极暴露在空气中，海水被eptfe膜吸收，海水的上升有了一定的盐梯度变化，从而产生电压，进行发电，再通过石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜的吸热能力使海水高速蒸发；所述的下部铜电极浸入到海水中的距离为0.2cm～0.3cm。

技术总结
一种基于三明治结构的陶瓷基双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法，它涉及一种双面蒸发脱盐并驱动发电的器件的制备方法。本发明的目的是要解决现有海水淡化技术采用的器件或材料为单面吸收太阳光，造成热能浪费，蒸发效率降低的问题。方法：一、配制纺丝液；二、静电纺丝；三、制备静电纺丝多孔陶瓷薄膜；四、以ePTFE膜作为夹层，将其置于带胶的石墨烯膜和静电纺丝多孔陶瓷薄膜之间，利用石墨烯膜上的胶将石墨烯膜与静电纺丝多孔陶瓷薄膜粘接在一起。现有大多数海上应用一般都是独立的，即海水淡化与海上发电，而本发明可以将两者巧妙的结合在一起，更充分的利用太阳能，与传统的太阳能蒸发器件相比，有着良好的界面太阳能蒸汽淡化。汽淡化。汽淡化。


技术研发人员：马生华 宋宇童 郭婷麟 王贝贝 白晋波
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/6/3