技术领域
[0001] 本
发明涉及纳米CeO2光热转化材料制备技术领域,尤其涉及一种黑色空心结构CeO2及其制备方法、应用。
背景技术
[0002] 虽然地球上的
水量巨大,但可以直接用于生产和生活中的
淡水或者
饮用水却很少。首先,
海水又咸又苦,不能用于饮用、
灌溉和工业用途。其次,淡水仅占总水量的2.6%左右,其中绝大多数(超过99%)被冻结在极地和远离人类的冻土层中,不能使用,仅仅只有不到1%的淡水散布在湖泊、河流和地下。
[0003] 自然界中淡水的主要来源是通过
太阳辐射海面,使得水蒸气从海面升起,通过气流运动到达陆地,汇聚成
云层,形成降雨落入地表的江河湖泊。近年来,科研工作者通过人工模拟自然界淡水资源循环过程,利用太阳光照射光热转换材料,将光能转换成
热能,
蒸发海水或者
废水,从而收集得到清洁的饮用水。例如韩国延世大学的Kyuyoung Bae等人制备了一种表面蒸
镀有5纳米Au膜的多孔
铝纳米棒阵列(Nat.Commun.2015,6,10103),在
能量密度为20kW/m2的模拟太阳光照射下,光热蒸发水实现了57%的转换效率。南京大学Lin Zhou等人将自组装的Au纳米颗粒负载于管状
氧化铝的内壁上(Sci.Adv.2016;2:e1501227),在
能量密度为4kW/m2的模拟太阳光照射下,光热蒸发水实现了接近90%的转换效率。尽管目前在利用
太阳能光热制取淡水方面取得了一些进展,但是依然存在很多局限性,包括制备工艺复杂,成本高昂,效率有待提高和产生有毒废弃物等。
[0004] 二氧化铈(CeO2)是一种典型的N型
半导体,多年来在我国各行业中被广泛使用。目前CeO2已在玻璃、陶瓷、光催化、
荧光材料、
汽车尾气
净化等领域的应用获得了较好的效果。同时,由于CeO2在酸性和
碱性环境中都有很高的耐受性,工作范围广,因此特别适合用来光热蒸发处理海水以及生活废水。但是由于CeO2具有较大的禁带宽度(~3.0eV),它在常温下为白色固体,导致CeO2不能够吸收可见光和红外光,因此制备具有全
光谱吸收的高效光热转换能
力的CeO2材料依然是一个严峻的挑战。
发明内容
[0005] 基于背景介绍中存在的技术问题,本发明提出了一种黑色空心结构CeO2及其制备方法、应用,本发明为黑色的纳米空心结构,有利于光的散射和吸收,在可见光和
近红外光区内有强烈的吸收,光热转换效率高,适合实际应用,尤其光热蒸发处理海水及生活废水的2
应用,可在一个太阳光强度的辐照下用于光热蒸发水,实现了高达1.21kg/h·m 的清洁水产率。
[0006] 本发明提出的一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0007] S1、制备金属有机络合物前驱体
[0008] 将2-
氨基对苯二
甲酸、丁炔二酸溶于二甲基甲酰胺中,标记为溶液A,将六水合
硝酸铈溶于二甲基甲酰胺中,标记为溶液B;
[0009] 将溶液A、溶液B同时倒入水热反应釜中搅拌,将水热反应釜密封,置于烘箱中
溶剂热反应,降温,收集底部的沉淀,洗涤,获得金属有机络合物前驱体;
[0010] S2、制备结晶的白色空心结构CeO2
[0011] 将金属有机络合物前驱体置于
马弗炉中加热到500-600℃,保温,得到白色空心结构CeO2;
[0012] S3、制备黑色空心结构CeO2
[0013] 将白色空心结构CeO2、
硼氢化钠混合,置于高温管式炉中,以惰性气体作为保护气,加热到400-500℃,保温,得到黑色空心结构CeO2。
[0014] 优选地,在S1中,2-氨基对苯二甲酸、丁炔二酸、六水合硝酸铈的重量比为0.1-0.3:0.05-0.2:0.2-0.4。
[0015] 优选地,2-氨基对苯二甲酸、丁炔二酸、六水合硝酸铈的重量比为0.181:0.114:0.289。
[0016] 优选地,在S1中,将2-氨基对苯二甲酸、丁炔二酸溶于二甲基甲酰胺中,其中2-氨基对苯二甲酸与二甲基甲酰胺的重量体积比g:ml为0.1-0.3:30。
[0017] 优选地,2-氨基对苯二甲酸与二甲基甲酰胺的重量体积比g:ml为0.181:30。
[0018] 优选地,在S1中,将六水合硝酸铈溶于二甲基甲酰胺中,其中六水合硝酸铈与二甲基甲酰胺的重量体积比g:ml为0.2-0.4:10。
[0019] 优选地,六水合硝酸铈与二甲基甲酰胺的重量体积比g:ml为0.289:10。
[0020] 优选地,在S1中,溶剂热反应的
温度≥180℃。
[0021] 优选地,溶剂热反应的时间≥12h。
[0022] 优选地,在S2中,将金属有机络合物前驱体装入刚玉
坩埚内,然后置于高温马弗炉中加热。
[0023] 优选地,在S2中,马弗炉升温速度为10-15℃/min。
[0024] 优选地,保温时间为2-4h。
[0025] 优选地,在S3中,白色空心结构CeO2与硼氢化钠的重量比≤1:1。
[0026] 优选地,在S3中,惰性气体为氩气和/或氮气;优选地,保温时间为1-2h。
[0027] 本发明还提出了一种黑色空心结构CeO2,根据所述的黑色空心结构CeO2的制备方法制成。
[0028] 本发明还提出了一种如所述的黑色空心结构CeO2粉用其光热效应生产清洁饮用水的应用。
[0029] 本发明针对现有的光热转换材料制备技术存在的问题,为了满足黑色二氧化铈大批量工业生产的需求,制备的一种黑色空心结构CeO2,其制备方法工艺先进,产物为深黑色,其内部中空结构有利于光线在孔隙内部的散射,最终使得黑色CeO2在太阳光的全光谱范围内有强烈的吸收。本发明可在1个模拟太阳光强度的辐照下,黑色CeO2作为光热转换材料,实现了1.21kg/h·m2的清洁水产量。
[0030] 本发明以2-氨基对苯二甲酸、丁炔二酸及硝酸铈为原料,通过使用2-氨基对苯二甲酸和丁炔二酸作为有机配体,和铈盐在二甲基甲酰胺溶剂中形成金属有机配合物;然后利用kirkendall effect效应,在空气中进行快速升温
煅烧,有机配体在分解的过程中产生大量气体,形成空心球状白色CeO2纳米结构;再以硼氢化钠为强还原剂,高温条件下
热处理在CeO2晶格中引入Ce3+离子和氧空位,导致CeO2能带变窄,实现了对可见光和红外光强吸收。
[0031] 本发明在合成过程中不使用有毒害的
试剂,技术成熟安全,所用工艺及设备均适合工业化生产,所得的黑色CeO2为纳米空心结构,有利于光的散射和吸收,光热转换效率高,适合实际应用。
[0032] 本发明制备的黑色CeO2光热转换材料具有以下优点:
[0033] 1、工艺流程简单,可使用成熟的工业技术进行大量生产;
[0034] 2、所得黑色CeO2在可见光和近红外光区内有强烈的吸收;
[0035] 3、将黑色CeO2负载于
醋酸纤维素
薄膜上,在一个太阳光强度的辐照下用于光热蒸发水,实现了高达1.21kg/h·m2的清洁水产率。
附图说明
[0036] 图1为
实施例5制备的白色空心结构CeO2和黑色空心结构CeO2的样品照片;
[0037] 图2为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的TEM图;
[0038] 图3为实施例5制备的黑色空心结构CeO2吸光谱;
[0039] 图4为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的
电子顺磁共振谱;
[0040] 图5为实施例5制备的黑色空心结构CeO2在太阳光照射下清洁水产量随时间的变化曲线;
[0041] 图6为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的光热蒸发制备清洁饮用水的实验红外图。
具体实施方式
[0042] 下面,通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0043] 实施例1
[0044] 一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0045] S1、制备金属有机络合物前驱体
[0046] 称取0.1g 2-氨基对苯二甲酸、0.05g丁炔二酸溶于一个装有30mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液A,将0.2g六水合硝酸铈溶解于装有10mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液B;
[0047] 将溶液A、溶液B同时倒入一个体积为50mL的水热反应釜中,搅拌2min,将水热反应釜密封,置于烘箱中溶剂热反应,反应温度180℃,反应时间12h,降温,收集底部的沉淀,使用无水
乙醇洗涤,获得金属有机络合物前驱体;
[0048] S2、制备结晶的白色空心结构CeO2
[0049] 将金属有机络合物前驱体装入刚玉坩埚内,置于高温马弗炉中,控制升温的速度,马弗炉升温速度为11℃/min,加热到520℃,保温2h,得到白色空心结构CeO2;
[0050] S3、制备黑色空心结构CeO2
[0051] 将0.1g白色空心结构CeO2、0.04g硼氢化钠混合,置于高温管式炉中,以氩气作为保护气,加热到400℃,保温1h,得到黑色空心结构CeO2。
[0052] 实施例2
[0053] 一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0054] S1、制备金属有机络合物前驱体
[0055] 称取0.3g 2-氨基对苯二甲酸、0.2g丁炔二酸溶于一个装有30mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液A,将0.4g六水合硝酸铈溶解于装有10mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液B;
[0056] 将溶液A、溶液B同时倒入一个体积为50mL的水热反应釜中,搅拌10min,将水热反应釜密封,置于烘箱中溶剂热反应,反应温度200℃,反应时间20h,降温,收集底部的沉淀,使用无水乙醇洗涤,获得金属有机络合物前驱体;
[0057] S2、制备结晶的白色空心结构CeO2
[0058] 将金属有机络合物前驱体装入刚玉坩埚内,置于高温马弗炉中,控制升温的速度,马弗炉升温速度为15℃/min,加热到600℃,保温4h,得到白色空心结构CeO2;
[0059] S3、制备黑色空心结构CeO2
[0060] 将0.1g白色空心结构CeO2、0.1g硼氢化钠混合,置于高温管式炉中,以氮气作为保护气,加热到500℃,保温2h,得到黑色空心结构CeO2。
[0061] 实施例3
[0062] 一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0063] S1、制备金属有机络合物前驱体
[0064] 称取0.25g 2-氨基对苯二甲酸、0.14g丁炔二酸溶于一个装有30mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液A,将0.32g六水合硝酸铈溶解于装有10mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液B;
[0065] 将溶液A、溶液B同时倒入一个体积为50mL的水热反应釜中,搅拌5min,将水热反应釜密封,置于烘箱中溶剂热反应,反应温度190℃,反应时间2h,降温,收集底部的沉淀,使用无水乙醇洗涤,获得金属有机络合物前驱体;
[0066] S2、制备结晶的白色空心结构CeO2
[0067] 将金属有机络合物前驱体装入刚玉坩埚内,置于高温马弗炉中,控制升温的速度,马弗炉升温速度为12℃/min,加热到560℃,保温3h,得到白色空心结构CeO2;
[0068] S3、制备黑色空心结构CeO2
[0069] 将0.1g白色空心结构CeO2、0.05g硼氢化钠混合,置于高温管式炉中,以氩气和氮气的混合气作为保护气,加热到460℃,保温1.5h,得到黑色空心结构CeO2。
[0070] 实施例4
[0071] 一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0072] 称取0.362g(2mmol)2-氨基对苯二甲酸、0.228g丁炔二酸(2mmol),溶于一个装有60mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液A;称取0.578g六水合物硝酸铈(0.67mmol)溶解于20mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液B;将溶液A、溶液B溶液同时倒入一个体积为100mL的水热反应釜中,搅拌5min,将水热釜密封,置于180℃的烘箱中15小时;
[0073] 待温度降低至室温时,收集底部的沉淀,在使用无水乙醇洗涤3次后,获得含铈的金属有机络合物前驱体,干燥后装入刚玉坩埚内,置于高温马弗炉中,以15℃/分钟的速率升高温度至600℃,保温2h,得到白色空心结构CeO2;
[0074] 将0.1g结晶的白色空心结构CeO2、0.2g硼氢化钠混合均匀,置于高温管式炉中,以氩气作为保护气,加热到400℃,保温2h,得到黑色空心结构CeO2。
[0075] 实施例5
[0076] 一种黑色空心结构CeO2的制备方法,包括如下步骤:
[0077] 称取0.181g(1mmol)2-氨基对苯二甲酸、0.114g丁炔二酸(1mmol),溶于一个装有30mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液A;称取0.289g六水合物硝酸铈(0.67mmol)溶解于10mL二甲基甲酰胺的玻璃烧杯中,标记为溶液B;将溶液A、溶液B同时倒入一个体积为
50mL的水热反应釜中,搅拌5min,将水热釜密封,置于180℃的烘箱中12小时;
[0078] 待温度降低至室温时,收集底部的沉淀,在使用无水乙醇洗涤3次,获得含铈的金属有机络合物前驱体,干燥后装入刚玉坩埚内,置于高温马弗炉中,以10℃/分钟的速率升高温度至500℃,保温3h,得到白色空心结构CeO2。
[0079] 将0.1g结晶的白色空心结构CeO2、0.1g硼氢化钠混合均匀,置于高温管式炉中,以氩气作为保护气,加热到400℃,保温1h,得到黑色空心结构CeO2。
[0080] 参照图1-6,图1为实施例5制备的白色空心结构CeO2和黑色空心结构CeO2的样品照片;图2为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的TEM图;图3为实施例5制备的黑色空心结构CeO2吸光谱;图4为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的
电子顺磁共振谱;图5为实施例5制备的黑色空心结构CeO2在太阳光照射下清洁水产量随时间的变化曲线;图6为实施例5制备的黑色空心结构CeO2的光热蒸发制备清洁饮用水的实验红外图。
[0081] 本发明制备的黑色空心结构CeO2及其利用光热效应生产清洁饮用水的应用,其制备方法工艺先进,产物为深黑色,其内部中空结构有利于光线在孔隙内部的散射,最终使得黑色CeO2在太阳光的全光谱范围内有强烈的吸收,在1个模拟太阳光强度的辐照下,黑色CeO2作为光热转换材料,可实现1.21kg/h·m2的清洁水产量。
[0082] 以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。