一种Co3O4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用

一种co3o4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于光热转换材料技术领域，特别涉及一种co3o4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着地球上人口的激增，工业生产迅速发展，随之而来的淡水资源短缺也成为人类所面临的全球性危机之一。现在9％的世界人口无法获得安全的淡水资源，29％的世界人口无法获得安全的饮用水。世界卫生组织统计，到2025年前，全世界将有半数人口生活在水资源紧张地区。地球表面虽然2/3被水覆盖，但是97％为无法饮用的海水；因此，如何便捷高效地将海水淡化就引起了研究者们广泛的兴趣。
3.常用的海水淡化技术主要包括反渗透法、冷冻法、电渗析法和蒸馏法等，但目前这些方法依然是直接或者间接地消耗不可再生化石能源，虽然可以在一定的程度上缓解淡水危机，但也伴随着环境污染和温室效应等问题。利用太阳能转变为热能来实现水蒸发脱盐能有效地避免上述问题，是进行海水淡化非常有效可行的技术。因此，界面太阳能水蒸发被认为是一种很有前途的海水淡化技术。由于水分的蒸发仅发生在水的表面，要实现高效的水蒸气产生效率，就须依靠光热转换材料将热量聚集在空气-水的界面。因此，研究性能优异的光热转换材料对于发展光热驱动海水淡化具有重大的意义。
4.目前，常见的可利用太阳光的光热转换材料有：碳基材料、金属基纳米粒子、有机聚合物、无机半导体材料等。金属纳米离子等离子体具有良好的光热转换性能，但其成本高、耐腐蚀性差，限制了其大规模应用；碳基材料具有吸光频带宽和耐腐蚀性好的优点，但由于光热转换效率低，其蒸发速率一直不高；无机半导体材料由于种类繁多、成本低、易功能化成为光热转换材料中新的研究热点；但现有的无机半导体材料大多采用溶胶-凝胶法、水热法及化学气相沉积法等制备为主，而上述方法普遍存在制备周期长、成本高、不易于规模化制备等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用，以解决传统光热转换材料的光热转换效率低、制备工艺复杂及成本高的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.本发明提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1、通过电化学沉积法，在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列，得到沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网；
9.步骤2、对沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网进行煅烧处理，得到所述co3o4纳米片负载不锈钢网。
10.进一步的，步骤1中，不锈钢网采用304不锈钢网，不锈钢网的目数为120-400目。
11.进一步的，步骤1中，通过电化学沉积法，在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列的过程，具体如下：
12.在三电极系统下，采用恒电位电化学沉积法在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列；电解沉积反应结束后，进行清洗，烘干，得到沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网；
13.其中，电解液采用将六水合硝酸钴和硝酸盐溶解至水中，充分搅拌形成；不锈钢网作为工作电极，pt片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极；电解槽内的温度保持在20-30℃；其中，硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾。
14.进一步的，采用阴极电沉积，反应电压为1.5-2v，反应时间为2-5min。
15.进一步的，电解液中，六水合硝酸钴的浓度为0.8-1.2mol/l，硝酸钠或硝酸钾的浓度为0.05-0.1mol/l。
16.进一步的，步骤1中，通过电化学沉积法，在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列之前，还包括对不锈钢网的清洁预处理步骤；
17.对不锈钢网的清洁预处理步骤，具体如下：
18.将不锈钢网浸入到丙酮中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的有机杂质，得到去除有机杂质的不锈钢网；
19.将取出有机杂质的不锈钢网浸入到盐酸溶液中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的氧化物杂质，得到去除氧化物的不锈钢网；
20.对去除氧化物的不锈钢网进行清洗，直至清洗液呈中性，得到除杂后的不锈钢网；
21.将除杂后的不锈钢网浸入到无水乙醇中进行超声处理，烘干，得到清洁预处理后的不锈钢网。
22.进一步的，去除不锈钢网表面的有机杂质的过程中，超声清洗的功率为100w-120w，时间为20-30min；
23.去除不锈钢网表面的氧化物杂质的过程中，盐酸溶液的质量浓度为3％-8％，超声清洗的功率为100w-120w，时间为10-20min。
24.将除杂后的不锈钢网浸入到无水乙醇中进行超声处理的过程中，超声功率为80w-100w，时间为10-20min；烘干过程采用在真空干燥箱中，干燥温度为60-80℃，烘干时间为2-6h。
25.进一步的，对沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网进行煅烧处理，得到所述co3o4纳米片负载不锈钢网的过程，具体如下：
26.将沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网置于马弗炉中，在煅烧温度为300-500℃的条件下，锻烧1-4h。
27.本发明还提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网，所述co3o4纳米片负载不锈钢网采用所述的co3o4纳米片负载不锈钢网的制备方法制备得到。
28.本发明还提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网在太阳能蒸汽产生过程中的应用。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.本发明提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用，通过电沉积在不锈钢钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列，通过煅烧得到co3o4纳米片负载不锈钢网；co3o4优异的光热转化特性以及良好的导热性，使其既能高效吸收太阳光能，又能将转换的热能及时传导出去；同时，co3o4纳米片的结构可以增大与水的接触面积，从而提高蒸汽产生效
率；与现有的光热材料相比，具有水蒸发效率高、稳定性好，且制备方法简单、成本低廉、易于规模化生产。
31.进一步的，通过控制煅烧温度可以使生长的co3o4纳米材料结晶度可控，从而易于优化获得具有高光热转化性能、高导热率的co3o4。
32.进一步的，不锈钢网不仅是生长co3o4纳米片的载体，其自身多孔结构有助于更多的、有效的co3o4纳米片作为光热转换体材料参与到太阳能蒸汽产生中，有利于提高材料吸收太阳光的能力，增强太阳能的转换效率。
33.进一步的，通过电化学沉积法制备的co3o4纳米片具有大量微孔结构，可以有效地通过毛细作用将水运输到气液界面以供水蒸汽产生，且使其具有超亲水特点，以保证蒸发速率及水蒸气的顺利逸出。
附图说明
34.图1为实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在100倍下的sem图；
35.图2为实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在1000倍下的sem图；
36.图3为实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在10000倍下的sem图；
37.图4为实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在50000倍下的sem图；
38.图5为实施例1中制备的co3o4纳米片的xrd谱图；
39.图6为负载与未负载co3o4纳米片的不锈钢网在模拟光照条件下的表面温度变化曲线；
40.图7为在1kw/m2的光强下照射60min，水蒸发质量随时间变化曲线。
具体实施方式
41.为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.本发明提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网的制备方法，具体包括以下步骤：
43.步骤1、不锈钢网预处理
44.步骤11、取120-400目的304不锈钢网，将不锈钢网裁剪为40mm
×
40mm的方形结构；
45.步骤12、将步骤11中的方形不锈钢网浸入到丙酮中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的有机杂质，得到去除有机杂质的不锈钢网；其中，超声清洗时间为20-30min，超声功率为100-120w；
46.步骤13、将去除有机杂质的不锈钢网浸入到盐酸溶液中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的氧化物杂质，得到去除氧化物的不锈钢网；其中，盐酸溶液的质量浓度为3％-8％，超声清洗的功率为100w-120w，时间为10-20min；
47.步骤14、采用去离子水对去除氧化物的紫铜网进行清洗，直至清洗液呈中性，得到除杂后的不锈钢网；
48.步骤15、将除杂后的不锈钢网浸入到无水乙醇中，在超声功率为80w-100w的条件下，超声处理10-20min；之后，将超声清洗处理后的紫铜网置于真空干燥箱中，在干燥温度为60-80℃，烘干时间为2-6h，得到清洁预处理后的不锈钢网。
49.步骤2、电化学沉积
50.将六水合硝酸钴与硝酸盐溶解到去离子水中，充分搅拌，形成电解液；其中，电解液中六水合硝酸钴的浓度为0.8-1.2mol/l，硝酸盐的浓度为0.05-0.1mol/l；其中，硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾。
51.在三电极系统下，以不锈钢网作为工作电极，pt片作为对电极，饱和甘汞电极(sce)作为参比电极；采用阴极电沉积，电解槽保持在20-30℃，恒电压为1.5-2v，反应2-5min，以使在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列；
52.采用蒸馏水对反应后的不锈钢网冲洗3-5次，之后采用无水乙醇对反应后的不锈钢网冲洗3-5次；然后，采用吹风机吹干，得到沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网。
53.步骤3、煅烧
54.将沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网，放入马弗炉中，在煅烧温度为300-500℃的条件下，锻烧1-4h；随炉冷却后取出，得到所述co3o4纳米片负载不锈钢网；其中，煅烧过程的升温速率为2℃/min。
55.本发明所述的co3o4纳米片负载不锈钢网的制备方法，利用简单的电沉积-煅烧两步法合成出具有光热转换性能的负载co3o4纳米片的不锈钢网材料，用于对太阳能光热驱蒸汽产生过程，为高效吸收和利用太阳能实现海水淡化提供了一种简单可行的方法；其中，(1)通过控制煅烧温度可以使生长的co3o4纳米材料结晶度可控，从而易于优化获得具有高光热转化性能、高导热率的co3o4；(2)不锈钢网不仅是生长co3o4纳米片的载体，其自身多孔结构有助于更多的、有效的co3o4纳米片作为光热转换体材料参与到太阳能蒸汽产生中，有利于提高材料吸收太阳光的能力，增强太阳能的转换效率；(3)在优选条件下co3o4纳米片具有大量微孔结构，可以有效地通过毛细作用将水运输到气液界面以供水蒸汽产生，且使其具有超亲水特点，以保证蒸发速率及水蒸气的顺利逸出；(4)提出的co3o4纳米片合成工艺简单，合成周期短，可控性强，成本低廉，适合于工业化规模生产，因此具有很大的实际开发利用价值。
56.本发明中co3o4纳米片负载不锈钢网在太阳能的水蒸汽产生过程中的应用，为高效吸收和利用太阳能实现海水淡化提供了一种简单可行的方法，能够作为光热转换体材料参与到太阳能蒸汽产生中，有利于提高材料吸收太阳光的能力，增强太阳能的转换效率。
57.实施例1
58.实施例1提供了一种co3o4纳米片负载不锈钢网的制备方法，具体包括以下步骤：
59.步骤1、不锈钢网预处理
60.步骤11、取120目的304不锈钢网，将不锈钢网裁剪为40mm
×
40mm的方形结构；
61.步骤12、将步骤11中的方形不锈钢网浸入到丙酮中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的有机杂质，得到去除有机杂质的不锈钢网；其中，超声清洗时间为30min，超声功率为100w；
62.步骤13、将去除有机杂质的不锈钢网浸入到浓度为3％的盐酸溶液中，超声清洗，以去除不锈钢网表面的氧化物杂质，得到去除氧化物的不锈钢网；其中，超声清洗的功率为100w，时间为20min；
63.步骤14、采用去离子水对去除氧化物的紫铜网进行清洗，直至清洗液呈中性，得到除杂后的不锈钢网；
64.步骤15、将除杂后的不锈钢网浸入到无水乙醇中，在超声功率为100w的条件下，超声处理10min；之后，将超声清洗处理后的紫铜网置于真空干燥箱中，在60℃的干燥温度下，烘干2h，得到清洁预处理后的不锈钢网。
65.步骤2、电化学沉积
66.将52.395g的六水合硝酸钴与1.275g的硝酸钠溶解到去离子水中，充分搅拌，形成电解液；其中，电解液中六水合硝酸钴的浓度为0.8-1.2mol/l，硝酸钠的浓度为0.05-0.1mol/l。
67.在三电极系统下，以不锈钢网作为工作电极，pt片作为对电极，饱和甘汞电极(sce)作为参比电极；采用阴极电沉积，电解槽保持在20-30℃，恒电压为1.5v，反应2min，以使在不锈钢网表面沉积氢氧化钴纳米片阵列；
68.采用蒸馏水对反应后的不锈钢网冲洗5次，之后采用无水乙醇对反应后的不锈钢网冲洗3次；然后，采用吹风机吹干，得到沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网。
69.步骤3、煅烧
70.将沉积有氢氧化钴纳米片阵列的不锈钢网，放入马弗炉中，在煅烧温度为350℃的条件下，锻烧2h；随炉冷却后取出，得到所述co3o4纳米片负载不锈钢网；其中，煅烧过程的升温速率为2℃/min。
71.对实施例1中获得的co3o4纳米片负载不锈钢网进行表征及性能测定，测定结果具体如下：
72.如附图1-4所示，附图1中给出了实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在100倍下的sem图，图2中给出了实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在1000倍下的sem图，图3中给出了实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在10000倍下的sem图；图4中给出了实施例1中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网在50000倍下的sem图；从附图1中可以看出，不锈钢网的网格结构，孔径约为100μm，均匀分布的网孔有利于水蒸气顺利通过铜网析出；从附图2中可以看出，其表面有一层密集的多孔状物质，其表明所述的方法可以在不锈钢网表面均匀性、完整地生长co3o4纳米片；从附图3、4中可以看出，在不锈钢网表面生长了致密的纳米片阵列，同时在纳米片上具有丰富的微孔，所述的三维纳米片阵列与微孔结构具有高的比表面积，使照在材料表面的光产生强的漫反射，促进了co3o4与光的相互作用，从而增强了对光的吸收。
73.如附图5所示，附图5中给出了实施例1中制备的不锈钢网上沉积的co3o4纳米片的x射线衍射(xrd)图谱；从附图5中可以看出，生成的纳米片为尖晶石型co3o4相(pdf卡片：jcpds no.43-1003)，这一分析证实了不锈钢基底上沉积的前驱体在350℃的煅烧下生成了co3o4纳米片。
74.对实施例1获得的co3o4纳米片负载不锈钢网与纯不锈钢网在1kw/m2光照强度下进行表面温度测试，其测试结果如附图6所示，从附图6中可以看出，在一个太阳光下，纯不锈钢网的表面温度仅为32℃左右，co3o4纳米片负载不锈钢网的表面温度则能达到58℃，表明负载的co3o4纳米片具有优异的光热转化性能。
75.如附图7所示，附图7中给出了1kw/m2的光强下照射60min，水蒸发质量随时间变化曲线；其中，1为水，2为实施例一制备的co3o4纳米片负载不锈钢网；从附图7中可以看出，在1kw/m2光照强度下，水的蒸发速率为0.18kg
·
m-2
·
h-1
，而在co3o4纳米片负载不锈钢网的作
用下，水的蒸发速率为1.62kg
·
m-2
·
h-1
；相较于纯水，实施例1制备的co3o4纳米片负载不锈钢网对光热驱动水蒸汽的产生具有明显的促进作用。
76.实施例2
77.与实施例1不同之处在于：按实施例1的制备方法，将不锈钢网孔径调整为200目或400目，其他条件不变；本实施例2中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网中，co3o4纳米片为纯相尖晶石型co3o4，且形貌与附图1相同，能达到实施例1所得光热转换不锈钢网的相应性能。
78.实施例3
79.与实施例1不同之处在于：按实施例1的制备方法，将电解液中六水合硝酸钴与硝酸钠的浓度调整为0.6mol/l和0.05m mol/l，其他条件不变；本实施例3中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网中，co3o4纳米片为纯相尖晶石型co3o4，且形貌与附图1相同，能达到实施例1所得光热转换不锈钢网的相应性能。
80.实施例4
81.与实施例1不同之处在于：按实施例1的制备方法，将电沉积过程中恒电压调整为1.8v或2v，电沉积时间调整为3min、4min或5min，其他条件不变；本实施例4中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网中，co3o4纳米片为纯相尖晶石型co3o4，且形貌与附图1相同，能达到实施例1所得光热转换不锈钢网的相应性能。
82.实施例5
83.与实施例1不同之处在于：按实施例1的制备方法，将煅烧温度调整为300℃、400℃、450℃或500℃，保温时间调整为1h、3h或4h，其他条件不变；；本实施例4中制备的co3o4纳米片负载不锈钢网中，co3o4纳米片为纯相尖晶石型co3o4，且形貌与附图1相同，能达到实施例1所得光热转换不锈钢网的相应性能。
84.co3o4是一种窄带隙半导体，其禁带宽度约为1.5ev，其在可见光波段具有良好的光吸收性能；同时，其具有较高的导热系数；本发明中，将co3o4制备成纳米材料，并将其光热吸收体，既能高效吸收太阳光能，又能将转换的热能及时传导出去；因此，开发用于光热转换的co3o4纳米材料的制备技术具有重要的应用价值。
85.本发明所述的co3o4纳米片负载不锈钢网及其制备方法和应用，其用于光热驱动水蒸汽的产生。对不锈钢网进行预处理后，通过电沉积在钢网表面沉积一层氢氧化钴纳米片阵列，最后通过煅烧得到co3o4纳米片负载的不锈钢光热转化网。co3o4优异的光热转化特性以及良好的导热性，使其既能高效吸收太阳光能，又能将转换的热能及时传导出去。同时，纳米片状结构可以增大与水的接触面积，从而提高蒸汽产生效率。与现有的光热材料相比，该材料水蒸发效率高、稳定性好，且制备方法简单、成本低廉、易于规模化生产。
86.上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。