一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾CuS納米粒子的制備方法
一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法
技術領域
1.本發明涉及一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，屬于太陽能光熱轉化吸收材料的制備技術領域。
背景技術：
2.隨著人們對環境保護和節能減排意識的提高，尋可再生能源的使用引發人們的關注。在所有可再生能源中，太陽能是最有應用前景的能源之一。近些年有很多研究將目光聚焦到太陽能利用技術。
3.目前世界上針對太陽能利用技術的開發主要集中在兩大領域，即光伏轉換和光熱轉換，但光伏轉換只能發生在較窄的光譜范圍內，行業內高水平的光電轉換效率也很難超過27％。相比之下，太陽能光熱轉換技術不僅能利用超過99％的太陽能輻射能量，并且太陽能轉換效率也能達到90％以上。
4.太陽能光熱轉換材料主要是繼承吸收劑的固有特性對能量進行轉化，常用的本征吸收材料主要由半導體以及過渡金屬的氧化物、氮化物、硫化物組成，它們的特點是有大量可用于吸收光子能量的軌道。根據能帶理論分析，當光子能量大于本征吸收材料的禁帶寬度時，足夠能量的光子會促使電子激發，從價帶躍遷至空導帶中，導帶中會產生自由電子，價帶留下空穴，在此過程中，光子能量被吸收并以熱能的形式釋放出來。此外一些過渡金屬的氧化物除了上述的光熱轉化性能還具有還具有優越的磁性，這極大的豐富了材料的應用場景。
5.近些年，新的基于多巴胺的太陽能光熱轉換材料被發明人員發現和研究，盡管目前這種新興的材料在光熱轉化效率上相較傳統的太陽能吸收材料較低但由于聚多巴胺優越的黏附性以及自身帶有大量的可改性基團使得以多巴胺改性的材料領域煥發出蓬勃的生機。
技術實現要素：
6.本發明的目的是結合上述材料的優點并克服不足之處，提供一種結合了過渡金屬氧化物、半導體以及多巴胺的優點制備的高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，可提高材料的光熱吸收性能，并且具有好的回收利用性。
7.本發明的技術方案，一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，首先用水熱法超聲制備cus片型基體，接著將cus加入多巴胺溶液中以形成聚多巴胺修飾的cus納米粒子，最后用溶劑法在聚多巴胺上原位生長磁性過渡金屬氧化物制備含有磁性聚多巴胺修飾的cus納米粒子。
8.進一步地，步驟如下：
9.(1)片狀納米cus的制備：取計量好的銅源和硫源加入到去離子水中，磁力攪拌，用鹽酸調節溶液的ph值；加熱保溫一段時間，待冷卻至室溫后，去除上層清液，下層深漿料
用乙醇和去離子水洗滌；離心若干次進行鈍化，高溫煅燒，即得cus納米片；
10.(2)多巴胺修飾cus納米片的制備：將步驟(1)制備的cus超聲分散在 tris緩沖水溶液中，隨后加入鹽酸多巴胺在室溫下進行磁力攪拌；反應結束后用去離子水對產物洗滌若干次，干燥得到聚多巴胺修飾的cus納米片產物；
11.(3)磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備：將步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片超聲分散到去離子水中；向上述溶液中加入計量的fe
2+
和 fe
3+
前驅體繼續攪拌，緊接著用氨水調節溶液ph至堿性；添加分散劑再劇烈攪拌；將黑產物洗滌干燥后得到磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。
12.進一步地，所述銅源具體為硝酸銅、氯化銅和硫酸銅中一種或多種。
13.進一步地，所述硫源具體為硫脲。
14.進一步地，所述鐵離子前驅體具體為氯化鐵、硝酸鐵和硫酸鐵中的一種或多種；
15.進一步地，所述亞鐵離子前驅體具體為硫酸亞鐵、氯化亞鐵和碳酸亞鐵中的一種或多種。
16.進一步地，步驟(1)為：將去離子水煮沸進行除氧處理后備用；取0.4-0.5g 銅鹽，1.5-1.6g硫源和70ml去離子水依次加入反應容器中，200-400rpm磁力攪拌均勻，待溶液混合均勻后，加入鹽酸調節ph至1，隨后繼續攪拌40min；將混合均勻的溶液轉移至聚四氟乙烯水熱合成釜中，進行密封處理后轉移至程控箱式爐，在175-185℃下保溫18-22h；待冷卻至室溫后，倒掉上層清液，下層黑漿料用乙醇和去離子水洗滌，在7000-9000rmp轉速下離心8-12min進行純化，在55-65℃、0.08-0.1mpa真空烘箱中烘干研磨后，轉移至程控箱式爐中，在275
??
285℃下煅燒2-4h，將煅燒后的粉體經過進一步研磨后，過200目篩子得cus納米片。
17.進一步地，步驟(2)為：將1.2-1.3gtris和90-100mg步驟(1)制備的cus 納米片以140-160w功率超聲分散在燒瓶中，并在200-400rpm下磁力攪拌10
??
20min，然后加入140-150mg鹽酸多巴胺，以50-100rpm的轉速在室溫下反應3
??
5h；反應結束后將所得黑不溶物用去離子水洗滌，最后55-65℃、0.08-0.1mpa 真空干燥得聚多巴胺修飾的cus納米片。
18.進一步地，步驟(3)為：將90-100mg步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus 納米片和180-220ml去離子水加入反應容器中，在室溫下140-160w超聲分散4
??
6min。接著向上述溶液中加入20-25mmol的fe
3+
前驅體和10-12.5mol的fe
2+
前驅體，將溶液以200-400rpm轉速攪拌下反應1h；再接著向上述溶液中加入15
??
25ml 25wt％濃度的氨水溶液和6-7g檸檬酸反應1h；最后將黑沉淀用磁鐵分離并洗滌干燥得磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。
19.所述方法制備得到的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子：將其應用海水蒸餾淡化領域。
20.磁性多巴胺改性的cus納米材料從組成上來看，無論是cus，fe3o4還是聚多巴胺都是在太陽能光熱領域常用的材料，并且不同的材料的禁帶寬度不同，本次磁性聚多巴胺改性的cus能夠發揮材料的協同效應，極大范圍在太陽光譜內進行吸收。在結構方面，片層cus材料能夠極大的增加受光的面積，并且片狀材料上的聚多巴胺顆粒能夠增加光的多級反射和散射的幾率，這使得吸收的效率增加。在應用方面，磁性的fe3o4使得材料可以使用磁鐵分離，這使得材料可以在對海水淡化后回收并重復利用。
21.本發明的有益效果：本發明方法能夠制備高性能的太陽能光熱轉化材料。該材料可以極大限度利用太陽能，產生光熱效應，可廣泛應用于海水淡化或其他太陽能集熱領域。
附圖說明
22.圖1在1.0kw/m2模擬太陽光條件下本發明實施例1制備的磁性聚多巴胺改性的cus和未添加改性cus時對水的蒸發量-時間示意圖。
23.圖2磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子磁性實驗結果示意圖。
24.圖3是cus以及磁性聚多巴胺改性cus的反射率光譜圖。
具體實施方式
25.實施例1
26.(1)片狀納米cus的制備：將去離子水煮沸進行除氧處理后備用；取0.47gcu(no3)2，1.52g h2nscnh2和70ml去離子水依次加入反應容器中，300rpm磁力攪拌均勻，待溶液混合均勻后，加入鹽酸調節ph至1，隨后繼續攪拌40min。將混合均勻的溶液轉移至聚四氟乙烯水熱合成釜中，進行密封處理后轉移至程控箱式爐，在180℃下保溫20h。待冷卻至室溫后，倒掉上層清液，下層黑漿料用乙醇和去離子水洗滌，在8000rmp轉速下離心10min進行純化，在60℃真空烘箱中烘干研磨后轉移至程控箱式爐中，在280℃下煅燒3h，將煅燒后的粉體經過進一步研磨后過200目篩子得cus納米片。
27.(2)多巴胺修飾cus納米片的制備：將1.25g tris和100mg步驟(1)制備的cus納米片以150w功率超聲分散在燒瓶中，并在200-400rpm下磁力攪拌 15min，然后加入150mg鹽酸多巴胺以50-100rpm的轉速在室溫下反應4h。反應結束后將所得黑不溶物用去離子水洗滌，最后60℃、0.08mpa真空干燥得聚多巴胺修飾的cus納米片。
28.(3)磁性多巴胺改性cus納米片的制備：將100mg步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片和200ml去離子水加入反應容器中，在室溫下150w超聲分散5min。接著向上述溶液中加入22mmol的fecl3·
6h2o和 11mmolfeso4·
7h2o，將溶液以300rpm轉速攪拌下反應1h。再接著向上述溶液中加入20ml 25wt％濃度的氨水溶液和6g檸檬酸反應1h。最后將黑沉淀用磁鐵分離并洗滌干燥得磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。
29.實施例2
30.(1)片狀納米cus的制備：將去離子水煮沸進行除氧處理后備用；取0.4g 銅鹽，1.5g硫源和70ml去離子水依次加入反應容器中，200rpm磁力攪拌均勻，待溶液混合均勻后，加入鹽酸調節ph至1，隨后繼續攪拌40min；將混合均勻的溶液轉移至聚四氟乙烯水熱合成釜中，進行密封處理后轉移至程控箱式爐，在 175℃下保溫22h；待冷卻至室溫后，倒掉上層清液，下層黑漿料用乙醇和去離子水洗滌，在7000rmp轉速下離心12min進行純化，在55℃、0.08mpa真空烘箱中烘干研磨后，轉移至程控箱式爐中，在275℃下煅燒4h，將煅燒后的粉體經過進一步研磨后，過200目篩子得cus納米片。
31.(2)多巴胺修飾cus納米片的制備：將1.2gtris和90mg步驟(1)制備的 cus納米片以140w功率超聲分散在燒瓶中，并在200rpm下磁力攪拌10min，然后加入140mg鹽酸多巴胺，以50rpm的轉速在室溫下反應5h；反應結束后將所得黑不溶物用去離子水洗滌，最后55℃、0.08mpa真空干燥得聚多巴胺修飾的cus納米片。
32.(3)磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備：將90mg步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片和180ml去離子水加入反應容器中，在室溫下140w 超聲分散6min。接著向上述溶液中加入20mmol的fe
3+
前驅體和10mol的fe
2+
前驅體，將溶液以200rpm轉速攪拌下反應
1h；再接著向上述溶液中加入15ml 25wt％濃度的氨水溶液和6g檸檬酸反應1h；最后將黑沉淀用磁鐵分離并洗滌干燥得磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。
33.所述銅源具體為硝酸銅。
34.所述硫源具體為硫脲。
35.所述鐵離子前驅體具體為氯化鐵；所述亞鐵離子前驅體具體為硫酸亞鐵。
36.實施例3
37.(1)片狀納米cus的制備：將去離子水煮沸進行除氧處理后備用；取0.5g 銅鹽，1.6g硫源和70ml去離子水依次加入反應容器中，400rpm磁力攪拌均勻，待溶液混合均勻后，加入鹽酸調節ph至1，隨后繼續攪拌40min；將混合均勻的溶液轉移至聚四氟乙烯水熱合成釜中，進行密封處理后轉移至程控箱式爐，在185℃下保溫18h；待冷卻至室溫后，倒掉上層清液，下層黑漿料用乙醇和去離子水洗滌，在9000rmp轉速下離心8min進行純化，在65℃、0.1mpa 真空烘箱中烘干研磨后，轉移至程控箱式爐中，在285℃下煅燒2h，將煅燒后的粉體經過進一步研磨后，過200目篩子得cus納米片。
38.(2)多巴胺修飾cus納米片的制備：將1.3gtris和100mg步驟(1)制備的cus納米片以160w功率超聲分散在燒瓶中，并在200rpm下磁力攪拌20min，然后加入150mg鹽酸多巴胺，以100rpm的轉速在室溫下反應3h；反應結束后將所得黑不溶物用去離子水洗滌，最后65℃、0.1mpa真空干燥得聚多巴胺修飾的cus納米片。
39.(3)磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備：將100mg步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片和220ml去離子水加入反應容器中，在室溫下160w 超聲分散4min。接著向上述溶液中加入25mmol的fe
3+
前驅體和12.5mol的fe
2+
前驅體，將溶液以400rpm轉速攪拌下反應1h；再接著向上述溶液中加入25ml 25wt％濃度的氨水溶液和7g檸檬酸反應1h；最后將黑沉淀用磁鐵分離并洗滌干燥得磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。
40.所述銅源具體為硫酸銅。
41.所述硫源具體為硫脲。
42.所述鐵離子前驅體具體為硝酸鐵；所述亞鐵離子前驅體具體為氯化亞鐵。
43.應用實施例1
44.在1.0kw/m2模擬太陽光條件下本發明實施例1制備的磁性聚多巴胺改性的 cus和未添加改性cus時對水的蒸發量。實驗過程如下：將1g改性過的cus納米片和1g未改性的cus納米片分別置于盛有500ml水的燒杯中，以無添加的盛有500ml水的燒杯為空白組，在模擬太陽光的環境下將三組樣品放置在天平上每分鐘記錄一次重量。以時間為橫軸，蒸發的重量為縱軸作圖.
45.實驗結果如圖1所示。由圖1可知，添加了納米粉體粒子對水的蒸發效應的提高是顯著的，經過優化改性后的磁性多巴胺改性的cus納米片能夠進一步提高水的蒸發效率，并且隨著時間的延長效果更為顯著。
46.應用實施例2
47.取實施例1制備的磁性多巴胺改性的cus納米片檢測其磁性，結果如圖2 所示。由圖2可知改性后的cus優良的磁性，該磁性可以大大提高粉體的再回收利用性。
48.應用實施例3
49.取實施例1制備的磁性多巴胺改性的cus納米片及普通cus測試其太陽能吸收率，
太陽能吸收率α的計算公式如下：
[0050][0051]
其中g(λ)為大氣質量am1.5時時的太陽輻射強度，ρ(λ)為粉體的反射率，可用標準uv-vis-nir分光光度計測得。
[0052]
具體檢測結果如圖3所示，結果表明磁性多巴胺改性的cus納米片在300
??
2000nm太陽光譜內具有96％的高吸收率。
技術特征：
1.一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是：首先用水熱法超聲制備cus片型基體，接著將cus加入多巴胺溶液中以形成聚多巴胺修飾的cus納米粒子，最后用溶劑法在聚多巴胺上原位生長磁性過渡金屬氧化物制備含有磁性聚多巴胺修飾的cus納米粒子。2.如權利要求1所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是步驟如下：(1)片狀納米cus的制備：取計量好的銅源和硫源加入到去離子水中，磁力攪拌，用鹽酸調節溶液的ph值；加熱保溫一段時間，待冷卻至室溫后，去除上層清液，下層深漿料用乙醇和去離子水洗滌；離心若干次進行鈍化，高溫煅燒，即得cus納米片；(2)多巴胺修飾cus納米片的制備：將步驟(1)制備的cus超聲分散在tris緩沖水溶液中，隨后加入鹽酸多巴胺在室溫下進行磁力攪拌；反應結束后用去離子水對產物洗滌若干次，干燥得到聚多巴胺修飾的cus納米片產物；(3)磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備：將步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片超聲分散到去離子水中；向上述溶液中加入計量的fe
2+
和fe
3+
前驅體繼續攪拌，緊接著用氨水調節溶液ph至堿性；添加分散劑再劇烈攪拌；將黑產物洗滌干燥后得到磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。3.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是：所述銅源具體為硝酸銅、氯化銅和硫酸銅中一種或多種。4.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是：所述硫源具體為硫脲。5.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是：所述鐵離子前驅體具體為氯化鐵、硝酸鐵和硫酸鐵中的一種或多種。6.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是：所述亞鐵離子前驅體具體為硫酸亞鐵、氯化亞鐵和碳酸亞鐵中的一種或多種。7.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是步驟(1)為：將去離子水煮沸進行除氧處理后備用；取0.4-0.5g銅鹽，1.5-1.6g硫源和70ml去離子水依次加入反應容器中，200-400rpm磁力攪拌均勻，待溶液混合均勻后，加入鹽酸調節ph至1，隨后繼續攪拌40min；將混合均勻的溶液轉移至聚四氟乙烯水熱合成釜中，進行密封處理后轉移至程控箱式爐，在175-185℃下保溫18-22h；待冷卻至室溫后，倒掉上層清液，下層黑漿料用乙醇和去離子水洗滌，在7000-9000rmp轉速下離心8-12min進行純化，在55-65℃、0.08-0.1mpa真空烘箱中烘干研磨后，轉移至程控箱式爐中，在275-285℃下煅燒2-4h，將煅燒后的粉體經過進一步研磨后，過200目篩子得cus納米片。8.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是步驟(2)為：將1.2-1.3gtris和90-100mg步驟(1)制備的cus納米片以140-160w功率超聲分散在燒瓶中，并在200-400rpm下磁力攪拌10-20min，然后加入140-150mg鹽酸多巴胺，以50-100rpm的轉速在室溫下反應3-5h；反應結束后將所得黑不溶物用去離子水洗滌，最后55-65℃、0.08-0.1mpa真空干燥得聚多巴胺修飾的cus納米片。9.如權利要求2所述高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子的制備方法，其特征是步驟(3)為：將90-100mg步驟(2)制備的聚多巴胺修飾的cus納米片和180-220ml去離子
水加入反應容器中，在室溫下140-160w超聲分散4-6min。接著向上述溶液中加入20-25mmol的fe
3+
前驅體和10-12.5mol的fe
2+
前驅體，將溶液以200-400rpm轉速攪拌下反應1h；再接著向上述溶液中加入15-25ml 25wt％濃度的氨水溶液和6-7g檸檬酸反應1h；最后將黑沉淀用磁鐵分離并洗滌干燥得磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子。10.權利要求1-9之一所述方法制備得到的磁性聚多巴胺修飾cus納米粒子，其特征是：將其應用海水蒸餾淡化領域。
技術總結
本發明涉及一種高太陽能吸收的磁性聚多巴胺修飾CuS納米粒子的制備方法，屬于太陽能光熱轉換所用光吸收材料的制備技術領域。首先用水熱法超聲制備CuS片型基體，接著將CuS加入多巴胺溶液中以形成聚多巴胺修飾的CuS納米粒子，最后用溶劑法在聚多巴胺上原位生長磁性過渡金屬氧化物制備含有磁性聚多巴胺修飾的CuS納米粒子。本發明方法能夠制備得到高太陽能吸收的太陽能光熱轉化納米材料。該材料在300-2000nm太陽光譜內不僅有96％的高吸收率并且由于富有磁性能夠回收再利用。由于富有磁性能夠回收再利用。由于富有磁性能夠回收再利用。
