竹子基碳材料的制備及其太陽能水蒸發性能研究

高琳琳，李雨霏，丁寅生，武晶斌，郭明晰*，薛守慶，馬遠忠，鄒 娜

(1.菏澤學院 化學化工學院，山東 菏澤 274015；2.菏澤學院鄆城分校，山東 鄆城 274700)

隨著人口的增長和工業的快速發展，淡水資源短缺的問題日益嚴重，如何解決淡水資源危機問題成為了人們研究的熱點。由于地球上的海水資源較多，海水淡化技術被認為是一種有效解決淡水資源短缺的方法之一[1]。然而，傳統的海水淡化脫鹽主要是采用反滲透膜和熱蒸餾的方式進行[2]。大多數反滲透膜不易降解，熱蒸餾又需要通過化石燃料直接或間接提供能量，傳統的脫鹽方式雖然可以在一定的程度上緩解淡水危機，然而其成本高、效率低并伴隨著環境污染，不易被廣泛應用。太陽能海水淡化被認為是一種新型可持續獲取淡水的技術，在自然條件下太陽能照射驅動的水蒸發效率較低，高效的太陽能光熱轉換材料是提高效率的關鍵[3]。因此，一些等離子金屬納米粒子，聚合物，半導體材料和碳基納米材料作為光熱轉換材料被研究[4-5]。這些材料雖然表現出良好的光熱轉換性能，但是它們的制備原料大多數比較昂貴難以廣泛應用。所以尋求廉價易得，結構穩定，性能優越的光熱轉換材料是太陽能海水淡化廣泛應用的關鍵。

生物質碳材料由于其原料可再生，廣泛易得，制備簡單備受人們關注，被廣泛應用在儲能和環境保護方面，近幾年的研究發現生物質炭材料在太陽能水蒸發中同樣表現出良好的性能[6]。Zhu等人以天然蘑菇和碳化蘑菇作為光熱轉換材料在一個太陽光強度照射下可分別實現大約62%和78%的轉換效率[7]。Liu等人發現碳化的蓮蓬具有高效的太陽水蒸發性能，在1個太陽照射下蒸發速率和相應的蒸發效率分別為1.30 kg m-2h-1和86.5%[8]。Wu 等人研究表明蜂窩狀結構的碳化白蘿卜具有較高的太陽光吸收率，出色的親水性，太陽能水蒸發效率為1.57 kg m-2h-1，太陽蒸汽轉換效率為85.9%，另外，碳化的白蘿卜在海水和污水中也表現出卓越的水蒸發性能[9]。

本文以竹竿為原料，經HCl溶液對其處理，利用高溫煅燒法制備碳材料，分別將竹子原料與碳材料應用于太陽能水蒸發中，研究結構與性能的關系。結果表明碳化的竹子具有較高的太陽光吸收率，較高的太陽能水蒸發率和良好的循環穩定性。這為生物質碳材料在太陽能水蒸發中的廣泛應用提供實驗基礎和理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

苦竹竿取于山東省菏澤學院校園；鹽酸，分析純，萊陽經濟技術開發區精細化工；蒸餾水實驗室自制。

1.2 樣品的制備

選取直徑大小一致，壁厚相似的苦竹竿為原料，截成長短相同的小段并烘干除去水分。然后用1 mol/L的鹽酸將竹段浸泡30h，除去竹子表面的致密疏水的蠟質層和竹子內壁膜，隨后用蒸餾水沖洗至中性后烘干再碳化。碳化在管式爐中進行，在氮氣保護的條件下以5 ℃/min升至900℃，保溫2h，自然降溫。將所得材料分別用蒸餾水和乙醇多次洗滌，烘干研末備用，樣品命名為C-900。

1.3 樣品表征

采用紫外可見近紅外光譜儀(UV-Vis-NIR)，(Lambda 750 s，PerkinElmer)考查材料的光學性質；利用物理吸附儀(Tristar II 3020，Micromeritics)對材料的比表面積及孔結構進行測試分析；使用掃描電鏡(SEM)，(SU3500，Hitachi)觀察樣品的表面形貌。

1.4 太陽能水蒸發測試

取30mg樣品C-900放入燒杯中，加去離子水，超聲使其均勻分散，通過真空抽濾制備直徑為4cm的碳基太陽能吸收膜。同樣的方法制備竹子粉末太陽能吸收膜作對比。用氙燈模擬太陽光，光照強度為1 kW/m2(1 個太陽光)，用電子天平檢測水的蒸發量，相連的電腦實時記錄數據。為本實驗所用的水是蒸餾水，環境溫度為(25± 2)℃，濕度為30% ± 5%。

2 結果與討論

2.1 紫外可見近紅外數據及分析

采用紫外可見光譜儀對碳化前后的樣品進行光吸收率分析，由圖1可知，在紫外光區200～350nm范圍內，竹子和C-900的吸收率都是上升的，大小幾乎一致。隨后原料的的光吸收率開始下降，碳化樣品繼續上升。在750～2500nm之間，樣品C-900的光吸收率達95%，明顯高于碳化前。由此可見，碳化竹子具有優異的太陽光吸收率，特別是在可見和近紅外區。文獻報道，樣品的太陽能水蒸發性能與太陽光吸收強弱有直接關系，太陽光吸收率越高太陽能的水蒸發性能相對越好。以下重點研究下碳化竹子的微觀結構。

圖1 樣品的紫外可見近紅外吸收光譜圖

2.2 碳化竹子的微觀結構

由圖2(a)C-900的SEM圖可知，碳化竹子具有豐富的孔結構。其等溫吸脫附曲線(如圖2b所示)數據顯示P/P0為0-0.1低壓吸附區間圖線開始迅速增長，偏Y軸，說明材料與氮氣有較強的相互作用，有較多的微孔存在。P/P0為0.02-1.0區間出現了明顯的滯后環，這是由于N2分子在低于常壓下冷凝填充了介孔孔道，根據滯后環的形態可以看出，該樣品的滯后環是H4型，滯后環代表在介孔或大孔中的毛細凝聚。在P/P0為0.8-1.0時等溫吸、脫附曲線又出現上翹的趨勢，這是可能是大孔吸附或者孔堆疊效果造成。說明材料具有分級多孔結構，材料的比表面積為160 m2/g。

圖2 C-900 的SEM和吸脫附曲線圖

2.3 樣品的太陽能水蒸發性能

在一個太陽光強度下純水、竹子和C-900的水蒸發性能如圖3(a)所示，純水我們選用蒸餾水，其太陽能水蒸發速率為0.3383 kgm-2h-1。竹子粉末和碳化的C-900的太陽能水蒸發速率分別為0.4727和1.2174 kgm-2h-1。由此可見，碳化竹子的太陽能水蒸發性能最好。接著，對其循環性能進行測試，循環測試10次。圖3(b)表明樣品C-900具有良好的循環穩定性。

圖3 (a)一個太陽光強度下純水、竹子和C-900的單位面積水蒸發量隨時間的變化；(b)樣品C-900的太陽能水蒸發循環性能

3 結論

采用成本低廉，綠色環保的生物質竹子為原料，經酸化、碳化處理制備的碳材料具有良好的太陽光吸收性能，豐富的孔結構，其太陽能水蒸發速率比純水和竹子的都高，且具有良好的循環穩定性。由此可見，材料太陽光的吸收率和孔結構在一定程度上影響著其水蒸發性能。