竹子基碳材料的制备及其太阳能水蒸发性能研究

高琳琳，李雨霏，丁寅生，武晶斌，郭明晰*，薛守庆，马远忠，邹 娜

(1.菏泽学院 化学化工学院，山东 菏泽 274015；2.菏泽学院郓城分校，山东 郓城 274700)

随着人口的增长和工业的快速发展，淡水资源短缺的问题日益严重，如何解决淡水资源危机问题成为了人们研究的热点。由于地球上的海水资源较多，海水淡化技术被认为是一种有效解决淡水资源短缺的方法之一[1]。然而，传统的海水淡化脱盐主要是采用反渗透膜和热蒸馏的方式进行[2]。大多数反渗透膜不易降解，热蒸馏又需要通过化石燃料直接或间接提供能量，传统的脱盐方式虽然可以在一定的程度上缓解淡水危机，然而其成本高、效率低并伴随着环境污染，不易被广泛应用。太阳能海水淡化被认为是一种新型可持续获取淡水的技术，在自然条件下太阳能照射驱动的水蒸发效率较低，高效的太阳能光热转换材料是提高效率的关键[3]。因此，一些等离子金属纳米粒子，聚合物，半导体材料和碳基纳米材料作为光热转换材料被研究[4-5]。这些材料虽然表现出良好的光热转换性能，但是它们的制备原料大多数比较昂贵难以广泛应用。所以寻求廉价易得，结构稳定，性能优越的光热转换材料是太阳能海水淡化广泛应用的关键。

生物质碳材料由于其原料可再生，广泛易得，制备简单备受人们关注，被广泛应用在储能和环境保护方面，近几年的研究发现生物质炭材料在太阳能水蒸发中同样表现出良好的性能[6]。Zhu等人以天然蘑菇和碳化蘑菇作为光热转换材料在一个太阳光强度照射下可分别实现大约62%和78%的转换效率[7]。Liu等人发现碳化的莲蓬具有高效的太阳水蒸发性能，在1个太阳照射下蒸发速率和相应的蒸发效率分别为1.30 kg m-2h-1和86.5%[8]。Wu 等人研究表明蜂窝状结构的碳化白萝卜具有较高的太阳光吸收率，出色的亲水性，太阳能水蒸发效率为1.57 kg m-2h-1，太阳蒸汽转换效率为85.9%，另外，碳化的白萝卜在海水和污水中也表现出卓越的水蒸发性能[9]。

本文以竹竿为原料，经HCl溶液对其处理，利用高温煅烧法制备碳材料，分别将竹子原料与碳材料应用于太阳能水蒸发中，研究结构与性能的关系。结果表明碳化的竹子具有较高的太阳光吸收率，较高的太阳能水蒸发率和良好的循环稳定性。这为生物质碳材料在太阳能水蒸发中的广泛应用提供实验基础和理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

苦竹竿取于山东省菏泽学院校园；盐酸，分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工；蒸馏水实验室自制。

1.2 样品的制备

选取直径大小一致，壁厚相似的苦竹竿为原料，截成长短相同的小段并烘干除去水分。然后用1 mol/L的盐酸将竹段浸泡30h，除去竹子表面的致密疏水的蜡质层和竹子内壁膜，随后用蒸馏水冲洗至中性后烘干再碳化。碳化在管式炉中进行，在氮气保护的条件下以5 ℃/min升至900℃，保温2h，自然降温。将所得材料分别用蒸馏水和乙醇多次洗涤，烘干研末备用，样品命名为C-900。

1.3 样品表征

采用紫外可见近红外光谱仪(UV-Vis-NIR)，(Lambda 750 s，PerkinElmer)考查材料的光学性质；利用物理吸附仪(Tristar II 3020，Micromeritics)对材料的比表面积及孔结构进行测试分析；使用扫描电镜(SEM)，(SU3500，Hitachi)观察样品的表面形貌。

1.4 太阳能水蒸发测试

取30mg样品C-900放入烧杯中，加去离子水，超声使其均匀分散，通过真空抽滤制备直径为4cm的碳基太阳能吸收膜。同样的方法制备竹子粉末太阳能吸收膜作对比。用氙灯模拟太阳光，光照强度为1 kW/m2(1 个太阳光)，用电子天平检测水的蒸发量，相连的电脑实时记录数据。为本实验所用的水是蒸馏水，环境温度为(25± 2)℃，湿度为30% ± 5%。

2 结果与讨论

2.1 紫外可见近红外数据及分析

采用紫外可见光谱仪对碳化前后的样品进行光吸收率分析，由图1可知，在紫外光区200～350nm范围内，竹子和C-900的吸收率都是上升的，大小几乎一致。随后原料的的光吸收率开始下降，碳化样品继续上升。在750～2500nm之间，样品C-900的光吸收率达95%，明显高于碳化前。由此可见，碳化竹子具有优异的太阳光吸收率，特别是在可见和近红外区。文献报道，样品的太阳能水蒸发性能与太阳光吸收强弱有直接关系，太阳光吸收率越高太阳能的水蒸发性能相对越好。以下重点研究下碳化竹子的微观结构。

图1 样品的紫外可见近红外吸收光谱图

2.2 碳化竹子的微观结构

由图2(a)C-900的SEM图可知，碳化竹子具有丰富的孔结构。其等温吸脱附曲线(如图2b所示)数据显示P/P0为0-0.1低压吸附区间图线开始迅速增长，偏Y轴，说明材料与氮气有较强的相互作用，有较多的微孔存在。P/P0为0.02-1.0区间出现了明显的滞后环，这是由于N2分子在低于常压下冷凝填充了介孔孔道，根据滞后环的形态可以看出，该样品的滞后环是H4型，滞后环代表在介孔或大孔中的毛细凝聚。在P/P0为0.8-1.0时等温吸、脱附曲线又出现上翘的趋势，这是可能是大孔吸附或者孔堆叠效果造成。说明材料具有分级多孔结构，材料的比表面积为160 m2/g。

图2 C-900 的SEM和吸脱附曲线图

2.3 样品的太阳能水蒸发性能

在一个太阳光强度下纯水、竹子和C-900的水蒸发性能如图3(a)所示，纯水我们选用蒸馏水，其太阳能水蒸发速率为0.3383 kgm-2h-1。竹子粉末和碳化的C-900的太阳能水蒸发速率分别为0.4727和1.2174 kgm-2h-1。由此可见，碳化竹子的太阳能水蒸发性能最好。接着，对其循环性能进行测试，循环测试10次。图3(b)表明样品C-900具有良好的循环稳定性。

图3 (a)一个太阳光强度下纯水、竹子和C-900的单位面积水蒸发量随时间的变化；(b)样品C-900的太阳能水蒸发循环性能

3 结论

采用成本低廉，绿色环保的生物质竹子为原料，经酸化、碳化处理制备的碳材料具有良好的太阳光吸收性能，丰富的孔结构，其太阳能水蒸发速率比纯水和竹子的都高，且具有良好的循环稳定性。由此可见，材料太阳光的吸收率和孔结构在一定程度上影响着其水蒸发性能。