一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶及其制备方法和应用
技术领域：
：1.本发明涉及气凝胶制备和相变储能材料领域，具体涉及一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术：
：：2.随着双碳目标的确立、碳化进程加快，能源清洁化、多元化大势所趋。太阳能作为清洁能源，将其有效存储和转化是必须克服的关键壁垒。近年来，相变储能材料的开发和利用在太阳能吸收、存储和转换引起广泛关注，与无机相变材料相比，有机相变材料具有过冷度可忽略、物理化学性质稳定、无相分离、无腐蚀等优点，但其也存在一些显著的缺陷，如易泄露、导热系数低等缺陷，因此通过构建形状稳定的复合相变材料是实现有机相变材料实际应用的有效方法。传统的复合相变材料由于其弱的光子吸收和光子到声子的转换性质，表现差的光热转换性能。3.例如，现有文献1(chengjunwang,weidongliang,yueyueyang,fangliu,hanxuesun,zhanqizhu,anli,biomasscarbonaerogelsbasedshape-stablephasechangecompositeswithhighlight-to-thermalefficiencyforenergystorage,renewableenergy,2020,153182)将有机相变材料1-十六胺hda和棕榈酸pa掺入生物质碳气凝胶bca指向日葵容器海绵状碳气凝胶r-ca和向日葵茎碳气凝胶s-ca通过简单的真空灌注，获得的基于r-ca复合相变材料和基于s-ca复合相变材料，复合相变材料基于hda/r-ca的光热转换效率为75.6％和hda/s-ca的光热转换效率为67.8％。该技术方案75.6％和67.8％的光热转换效率表明，该技术方案对光能未能实现充分的利用。解决该技术问题，可以通过对复合相变材料的基体中添加光学性能强的物质可以实现光能向热能转换的效率。4.在解决光热转换效率的同时，作为相变储能材料，储能密度也需要满足应用要求。例如，现有文献2(huizhiyang,yufengbai,chunhuage,lilihe,weiyueliang,xiaodongzhang,polyethyleneglycol-basedphasechangematerialswithhighphotothermalconversionefficiencyandshapestabilityinanaqueousenvironmentforsolarwaterheater,compositesparta:appliedscienceandmanufacturing,2022,154,106778)采用同时形成支撑材料和pcm封装工艺的策略来合成具有稳定形状的复合pcm。以peg为pcm，亲水共聚物paaam为支撑材料。利用peg和paaam之间的相互作用，实现了93.3％的高光热转换效率，但是，储能密度仅为138.6j/g，远远无法满足应用要求。5.为了解决上述技术问题，经申请人研究发现，可以通过形成异质结结构和利用石墨化氮化碳的优异光学性能提高导热率光热转换效率；然后通过冷冻干燥形成气凝胶并用作相变材料基体解决上述技术问题。技术实现要素：6.本发明的目的是提供一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶及其制备方法和应用。7.本发明的基本原理为：采用光催化半导体改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯为原料，同时解决作为相变材料应用时光热转换效率低、导热性能差和储能密度低的问题。具体体现在：8.1、利用稀硝酸对石墨化氮化碳进行改性，增加石墨化氮化碳上的含氧基团进而增加石墨化氮化碳的亲水性，以实现在水溶液中的氧化石墨烯构建异质结并均匀分散在石墨烯纳米片表面；9.2、通过水热反应和冷冻干燥，利用乙二胺将氧化石墨烯还原为石墨烯，构建规则多孔结构、大比表面积、低密度的rgo/g-cn气凝胶，气凝胶结构提供连续的导热网络，进而有效提高复合相变材料的热响应速率和光-热转换性能。10.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：11.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶，以石墨化氮化碳g-cn、氧化石墨烯go和乙二胺edta为主要原料，经g-cn改性为改性石墨化氮化碳g-cn后，将g-cn和go在edta的作用下，形成具有异质结结构的还原氧化石墨烯和改性石墨化氮化碳的气凝胶，即异质结结构rgo/g-cn气凝胶，其中，12.g-cn改性为g-cn的作用为，实现g-cn与go均匀分散，并构建异质结结构；13.go在技术方案中的作用为，利用导电性抑制g-cn的电子-空穴复合；14.所得异质结结构rgo/g-cn气凝胶的微观形貌为，表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构；具备提高可见光利用率，提高光热转换效率的效果；15.所述改性石墨化氮化碳g-cn的改性方法为经稀硝酸溶液处理，所得g-cn具有亲水性。16.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，包括以下步骤：17.步骤1，改性石墨化氮化碳g-cn的制备，在一定条件下，将g-cn进行改性，即可得到改性石墨化氮化碳，简称为g-cn；18.所述步骤1改性的方法为，以改性温度为80℃，改性时间为12h，稀硝酸浓度为3mol/l的条件下，将石墨化氮化碳cn加入到稀硝酸中搅拌；19.步骤2，异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备，以一定质量比，将g-cn与氧化石墨烯go混合后，加入乙二胺edta得到反应液，然后，以一定条件进行水热反应，反应完毕后的产物在室温条件下进行洗涤后，在一定条件下进行冷冻干燥，即可得到异质结结构rgo/g-cn气凝胶；20.所述步骤2中g-cn与go的质量比为1：(2-7)；所述步骤2制备反应液的方法为，将g-cn与go混合后进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为24h，然后，加入edta调节溶液ph值为11，之后，先磁力搅拌1h，再超声1h；21.所述步骤2水热反应的条件为，水热温度为120℃，水热时间为6-12h；22.所述步骤2冷冻干燥的条件为，先在冷冻温度为-10℃，冷冻时间为12h的条件下进行冷冻，再在冷冻干燥温度为-45‑‑50℃，冷冻干燥时间为48-72h进行冷冻干燥。23.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶作为相变材料的应用，采用真空浸渍法，以一定的质量比，将聚乙二醇浸渍到异质结结构rgo/g-cn气凝胶中，即可得到异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料；24.所述聚乙二醇与异质结结构rgo/g-cn气凝胶的质量比为1：33-49；所述真空浸渍法的条件为，浸渍温度为80℃，浸渍时间为24-48h；25.所述异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料的相变温度为38.53-61.06℃，相变潜热为165-182j/g，光热转换效率达到90％-96％，相变材料负载率为90％-98wt％。26.本发明经xrd、sem、ft-ir、dsc、拉曼测试等检测可知：27.经红外光谱ft-ir测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料成功制备；28.经扫描电子显微镜sem测试可知，本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。；本发明所制的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间没有明显的界限。表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料完全被气凝胶孔洞束缚，即具备防泄露性能。；29.经x射线衍射仪xrd测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，复合相变材料和聚乙二醇的衍射峰并没有出现明显偏移和新的衍射峰，说明聚乙二醇很好的被包覆在气凝胶中；30.经拉曼测试可知，制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶具有高石墨化程度；31.经dsc测试可知，本发明制备的还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶基复合相变材料熔融温度在59.99-60.62℃之间，熔融焓在165.93-177j/g；结晶温度在38.53-39.82之间，结晶焓在163.07-173j/g；32.经200次dsc循环测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料具有高循环稳定性和热稳定性；33.经模拟太阳光测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料光热转换效率在90％-96％；34.经泄露测试可知，本发明具有良好的防泄漏性能。35.因此，本发明相对于现有技术，具有以下优点：36.1、制备简单、绿色环保的新型光催化半导体改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯为原料，组装形成了具有异质结结构rgo/g-cn气凝胶；37.2、采用改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯组装成具有异质结结构的碳气凝胶，解决了改性石墨化氮化碳易堆积的问题；38.3、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶和聚乙二醇的复合是物理作用，有效保持了相变材料的高相变潜热；39.4、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料具有高光热转换效率；40.5、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶具有高相变材料的负载量。附图说明：41.图1为实施例1、对比例1、对比例2、g-c3n4和go的ft-ir图；42.图2为实施例1、对比例1、对比例2、g-c3n4和go的xrd图；43.图3为实施例1、对比例1、对比例2的拉曼光谱；44.图4为实施例1、对比例1、对比例2的sem图；45.图5为实施例1作为相变材料的应用、对比例3、peg的ft-ir图；46.图6为实施例1、对比例3作为复合相变材料的应用的xrd图；47.图7为对比例1、对比例3作为相变材料应用的sem图；48.图8为实施例1防泄漏测试；49.图9为实施例1、对比例3的dsc测试；50.图10为实施例1在200次dsc循环测试；51.图11为实施例1的200次循环前后的红外光谱；52.图12为实施例1的光热转换测试曲线具体实施方式53.本发明通过实施例，结合说明书附图对本
发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。54.实施例155.一种g-cn添加量为25％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，包括以下步骤：56.步骤1，改性石墨化氮化碳g-cn的制备，在改性温度为80℃，改性时间为12h，稀硝酸浓度为3mol/l的条件下，将3g石墨化氮化碳cn加入到250ml的稀硝酸中搅拌，进行改性，即可得到改性石墨化氮化碳，简称为g-cn；57.步骤2，异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备，将1g步骤1所得g-cn与4g氧化石墨烯go悬浮液混合磁力搅拌24h后，加入30ml乙二胺调节溶液ph值为11并继续磁力搅拌1h后，再超声1h，得到反应液，然后，以水热温度为120℃，水热时间为6h的条件下进行水热反应，反应完毕后的产物在室温条件下进行洗涤后，在冷冻温度为-10℃，冷冻时间为12h的条件下进行冷冻，最后，在冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为72h的条件下进行冷冻干燥，即可得到g-cn添加量为25％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶，简称为gc-25。58.为证明gc-25成功制备，对gc-25进行ft-ir测试。测试结果如图1所示，在gc-25的红外光谱中出现了g-cn和石墨烯的红外特征峰，表明g-c3n4与rgo成功结合，制备了gc-25。59.为进一步证明g-cn成功引入到石墨烯气凝胶中，进行xrd测试。测试结果如图2所示，氧化石墨烯在11°左右有一个典型的特征峰，而该峰在异质结结构rgo/g-cn气凝胶中消失，在25°左右出现了石墨烯的特征峰，说明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯；将g-cn加入到氧化石墨烯基体中后，石墨烯在25°左右的特征峰仍然存在，表明石墨烯气凝胶的层堆积结构不变；在xrd中出现了g-cn的特征衍射峰，进一步证实g-cn成功引入到还原氧化石墨烯气凝胶中，成功制备了gc-25。60.为了证明gc-25的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.019，说明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。61.为证明制备的gc-25的孔隙结构、规则分层的多孔结构，掺杂的g-cn附着在石墨烯表面，对步骤2所得gc-25进行sem测试。测试结果如图4所示，gc-25气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。62.为了证明gc-25作为相变材料载体的应用效果，采用真空浸渍法，制备gc-25基复合相变材料。具体方法为，首先，以聚乙二醇质量为gc-25的4900％的比例称量原料，然后，将聚乙二醇置于80℃烘箱中融化，随后，将gc-25浸渍到融化的聚乙二醇中，即可制得改性石墨化氮化碳含量为25％的rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，简称为pcm-1。63.为了证明成功制备pcm-1，对制得的pcm-1进行了ft-ir测试，测试结果如图5所示，pcm-1红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明pcm-25成功制备。64.为了证明制备的pcm-1的晶体结构，进行了xrd测试。测试结果如图6所示，pcm-1存在peg衍射特征峰，并且，没有出现明显的偏移也未出现新的衍射峰。测试结果表明，gc-25成功包覆聚乙二醇。65.为了证明pcm-1的结构特征，进行sem测试，结果如图7所示，gc-25气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间没有明显的界限。表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料完全被气凝胶孔洞束缚，即具备防泄露性能。66.为了进一步证明pcm-1具有防泄漏性能，对pcm-1进行防泄漏测试。具体测试方法为，将相变材料和复合相变材料放入到80℃烘箱中，每隔30min观察peg和pcm-1的状态。测试结果如图8，peg在30min时已融化并向四周扩散，pcm-1直到60min仍保持形状稳定。实验结果表明，pcm-1具有良好的防泄漏性能。67.为了证明制备的pcm-1的相变性能，进行差示扫描量热dsc测试，测试结果如图9和表1所示，熔融温度为60.94℃，焓值为172.62j/g；结晶温度为39.50℃，结晶焓为168.51j/g。68.表1pcm-1、pcm-2的相变性能表[0069][0070]为了证明制备的pcm-1的热循环稳定性，进行200次dsc循环性能测试和循环前后的ft-ir测试。[0071]200次dsc循环性能测试，结果如图9所示，经过200次循环后，pcm-1的热循环曲线基本不变，损失的相变潜热极小，可以忽略不计，测试结果表明，pcm-1具有热循环稳定性；[0072]循环前后的ft-ir测试，结果如图10所示，循环前后的复合相变材料未观察到新的特征峰产生和峰的偏移，测试结果同样表明，pcm-1具有良好的热稳定性。[0073]为了证明pcm-1的光热转换效率，模拟太阳光进行光热转换性能测试。测试结果如图12所示，pcm-1在升温时的温度平台出现在52.6-52.8℃，这是由于peg融化吸热所致；冷却过程中，温度平台出现在47.2-40.8℃，这是由于peg结晶放热所致；为进一步验证pcm-1的光热转换性能，通过公式1计算了光热转换效率为90.33％，说明pcm-1具有良好的光热转换效率。[0074][0075]其中，p为光照强度、s为光照射面积、tt为吸热平台出现时间、tf为吸热平台结束时间、m为待测样品质量、δh为待测样品的熔融焓值。[0076]为了证明改性石墨化氮化碳对石墨烯气凝胶结构的影响，提供对比例1，即不添加改性石墨化氮化碳的还原氧化石墨烯气凝胶的制备方法。[0077]对比例1[0078]一种不添加改性石墨化氮化碳的还原氧化石墨烯气凝胶的制备方法，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：不进行所述步骤1的改性石墨化氮化碳的制备，所得材料为还原氧化石墨烯气凝胶，简称为rgc-0。[0079]为了证明rgc-0成功制备，对rgc-o进行了ft-ir测试。测试结果如图1所示，在rgc-0的红外光谱中出现了石墨烯的特征峰，表明rgc-0制备成功。[0080]为了进一步证明rgc-0的成功制备，对rgc-0进行了xrd测试。测试结果如图2所示，在25°出现石墨烯的特征峰，11°的氧化石墨烯特征峰消失。实验结果表明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯，即rgc-0成功制备。[0081]为了证明gc-25的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.019，表明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。[0082]为证明制备的rgc-0的多孔结构，进行sem测试。测试结果如图4所示，气凝胶表面光滑整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。根据本领域公知常识可知，光滑的孔道结构不利于作为相变材料应用，进行peg的负载。[0083]为了证明g-cn添加量对异质结结构rgo/g-cn气凝胶的影响，提供对比例2。[0084]对比例2[0085]一种g-cn添加量为33％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：所述步骤2中，g-cn的添加量为33％，即2g的g-cn，所得材料为g-cn添加量为33％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶，简称为gc-33。[0086]为证明gc-33成功制备，对gc-33进行ft-ir测试，测试结果如图1所示，在gc-33的红外光谱中出现了g-cn和rgo的红外特征峰，表明g-cn与rgo成功结合，即制备gc-33。[0087]为进一步证明g-cn成功引入到石墨烯气凝胶中，进行xrd测试。测试结果如图2所示，氧化石墨烯在11°左右有一个典型的特征峰，而该峰在异质结结构rgo/g-cn气凝胶中消失，在25°左右出现了石墨烯的特征峰，说明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯，将g-cn加入到氧化石墨烯基体中后，石墨烯在25°左右的特征峰仍然存在，表明石墨烯气凝胶的层堆积结构不变；在xrd中出现了g-cn的特征衍射峰，进一步证实g-cn成功引入到还原氧化石墨烯气凝胶中，成功制备了gc-33。[0088]为了证明gc-33的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.048，表明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。[0089]为证明制备的gc-33的的多孔结构，进行sem测试。测试结果如图4所示，gc-33气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构，气凝胶片层之间的间距变小，出现部分粘连，根据本领域公知常识可知，小的间距减小了peg的负载量，影响复合相变材料的性能。[0090]为了证明peg吸附量对异质结结构rgo/g-cn气凝胶作为相变材料焓值的影响，提供对比例3。[0091]对比例3[0092]一种gc-25基复合相变材料的应用，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：所述gc-25作为复合相变材料的应用浸渍peg的质量为气凝胶的4850％，简称pcm-2。[0093]为了证明成功制备pcm-2，对制得的pcm-2进行了ft-ir测试。测试结果如图5所示，pcm-2红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明pcm-2成功制备。[0094]为了证明制备的pcm-2的晶体结构，进行了xrd测试。测试结果如图6所示，pcm-2存在peg衍射特征峰，并且，没有出现明显的偏移也未出现新的衍射峰。测试结果表明，gc-25成功包覆聚乙二醇。[0095]为了证明pcm-2的结构特征，进行sem测试。结果如图7所示，gc-25气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间孔道光滑，孔结构减小，可以看到孔道结构，存在很多孔隙，表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料被气凝胶孔洞束缚，浸渍的peg的量未达到饱和。[0096]为了证明制备的pcm-2的相变性能，进行差示扫描量热dsc测试。测试结果如图9和表1所示，熔融温度为60.62℃，焓值为165.93j/g；结晶温度为39.82℃，结晶焓为163.07j/g。[0097]通过实施例1、对比例1、对比例2、对比例3可以得到如下结论：[0098]1、改性石墨化氮化碳与氧化石墨烯可通过构建异质结结构实现均匀分散；[0099]2、改性石墨化氮化碳质量是石墨烯质量的0％-33％范围内，均可以制备还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶，并用在相变材料上，具有防泄漏的效果；[0100]3、制备的还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶石墨化程度高，具有规整的蜂窝状分级多孔结构，结构规整；[0101]4、dsc测试结果表明，复合相变材料焓值随着改性石墨化氮化碳的添加增加而降低，最高熔融焓值焓值为172.62j/g结晶焓为168.51j/g；[0102]5、200次dsc循环性能测试，复合相变材料的热循环曲线基本不变，损失的相变潜热极小；[0103]光热转换性能测试结果表明，还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶作为相变材料的应用，光热转换效率为90.33％。当前第1页12当前第1页12
技术领域：
：1.本发明涉及气凝胶制备和相变储能材料领域，具体涉及一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术：
：：2.随着双碳目标的确立、碳化进程加快，能源清洁化、多元化大势所趋。太阳能作为清洁能源，将其有效存储和转化是必须克服的关键壁垒。近年来，相变储能材料的开发和利用在太阳能吸收、存储和转换引起广泛关注，与无机相变材料相比，有机相变材料具有过冷度可忽略、物理化学性质稳定、无相分离、无腐蚀等优点，但其也存在一些显著的缺陷，如易泄露、导热系数低等缺陷，因此通过构建形状稳定的复合相变材料是实现有机相变材料实际应用的有效方法。传统的复合相变材料由于其弱的光子吸收和光子到声子的转换性质，表现差的光热转换性能。3.例如，现有文献1(chengjunwang,weidongliang,yueyueyang,fangliu,hanxuesun,zhanqizhu,anli,biomasscarbonaerogelsbasedshape-stablephasechangecompositeswithhighlight-to-thermalefficiencyforenergystorage,renewableenergy,2020,153182)将有机相变材料1-十六胺hda和棕榈酸pa掺入生物质碳气凝胶bca指向日葵容器海绵状碳气凝胶r-ca和向日葵茎碳气凝胶s-ca通过简单的真空灌注，获得的基于r-ca复合相变材料和基于s-ca复合相变材料，复合相变材料基于hda/r-ca的光热转换效率为75.6％和hda/s-ca的光热转换效率为67.8％。该技术方案75.6％和67.8％的光热转换效率表明，该技术方案对光能未能实现充分的利用。解决该技术问题，可以通过对复合相变材料的基体中添加光学性能强的物质可以实现光能向热能转换的效率。4.在解决光热转换效率的同时，作为相变储能材料，储能密度也需要满足应用要求。例如，现有文献2(huizhiyang,yufengbai,chunhuage,lilihe,weiyueliang,xiaodongzhang,polyethyleneglycol-basedphasechangematerialswithhighphotothermalconversionefficiencyandshapestabilityinanaqueousenvironmentforsolarwaterheater,compositesparta:appliedscienceandmanufacturing,2022,154,106778)采用同时形成支撑材料和pcm封装工艺的策略来合成具有稳定形状的复合pcm。以peg为pcm，亲水共聚物paaam为支撑材料。利用peg和paaam之间的相互作用，实现了93.3％的高光热转换效率，但是，储能密度仅为138.6j/g，远远无法满足应用要求。5.为了解决上述技术问题，经申请人研究发现，可以通过形成异质结结构和利用石墨化氮化碳的优异光学性能提高导热率光热转换效率；然后通过冷冻干燥形成气凝胶并用作相变材料基体解决上述技术问题。技术实现要素：6.本发明的目的是提供一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶及其制备方法和应用。7.本发明的基本原理为：采用光催化半导体改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯为原料，同时解决作为相变材料应用时光热转换效率低、导热性能差和储能密度低的问题。具体体现在：8.1、利用稀硝酸对石墨化氮化碳进行改性，增加石墨化氮化碳上的含氧基团进而增加石墨化氮化碳的亲水性，以实现在水溶液中的氧化石墨烯构建异质结并均匀分散在石墨烯纳米片表面；9.2、通过水热反应和冷冻干燥，利用乙二胺将氧化石墨烯还原为石墨烯，构建规则多孔结构、大比表面积、低密度的rgo/g-cn气凝胶，气凝胶结构提供连续的导热网络，进而有效提高复合相变材料的热响应速率和光-热转换性能。10.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：11.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶，以石墨化氮化碳g-cn、氧化石墨烯go和乙二胺edta为主要原料，经g-cn改性为改性石墨化氮化碳g-cn后，将g-cn和go在edta的作用下，形成具有异质结结构的还原氧化石墨烯和改性石墨化氮化碳的气凝胶，即异质结结构rgo/g-cn气凝胶，其中，12.g-cn改性为g-cn的作用为，实现g-cn与go均匀分散，并构建异质结结构；13.go在技术方案中的作用为，利用导电性抑制g-cn的电子-空穴复合；14.所得异质结结构rgo/g-cn气凝胶的微观形貌为，表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构；具备提高可见光利用率，提高光热转换效率的效果；15.所述改性石墨化氮化碳g-cn的改性方法为经稀硝酸溶液处理，所得g-cn具有亲水性。16.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，包括以下步骤：17.步骤1，改性石墨化氮化碳g-cn的制备，在一定条件下，将g-cn进行改性，即可得到改性石墨化氮化碳，简称为g-cn；18.所述步骤1改性的方法为，以改性温度为80℃，改性时间为12h，稀硝酸浓度为3mol/l的条件下，将石墨化氮化碳cn加入到稀硝酸中搅拌；19.步骤2，异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备，以一定质量比，将g-cn与氧化石墨烯go混合后，加入乙二胺edta得到反应液，然后，以一定条件进行水热反应，反应完毕后的产物在室温条件下进行洗涤后，在一定条件下进行冷冻干燥，即可得到异质结结构rgo/g-cn气凝胶；20.所述步骤2中g-cn与go的质量比为1：(2-7)；所述步骤2制备反应液的方法为，将g-cn与go混合后进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为24h，然后，加入edta调节溶液ph值为11，之后，先磁力搅拌1h，再超声1h；21.所述步骤2水热反应的条件为，水热温度为120℃，水热时间为6-12h；22.所述步骤2冷冻干燥的条件为，先在冷冻温度为-10℃，冷冻时间为12h的条件下进行冷冻，再在冷冻干燥温度为-45‑‑50℃，冷冻干燥时间为48-72h进行冷冻干燥。23.一种异质结结构rgo/g-cn气凝胶作为相变材料的应用，采用真空浸渍法，以一定的质量比，将聚乙二醇浸渍到异质结结构rgo/g-cn气凝胶中，即可得到异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料；24.所述聚乙二醇与异质结结构rgo/g-cn气凝胶的质量比为1：33-49；所述真空浸渍法的条件为，浸渍温度为80℃，浸渍时间为24-48h；25.所述异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料的相变温度为38.53-61.06℃，相变潜热为165-182j/g，光热转换效率达到90％-96％，相变材料负载率为90％-98wt％。26.本发明经xrd、sem、ft-ir、dsc、拉曼测试等检测可知：27.经红外光谱ft-ir测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料成功制备；28.经扫描电子显微镜sem测试可知，本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。；本发明所制的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间没有明显的界限。表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料完全被气凝胶孔洞束缚，即具备防泄露性能。；29.经x射线衍射仪xrd测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，复合相变材料和聚乙二醇的衍射峰并没有出现明显偏移和新的衍射峰，说明聚乙二醇很好的被包覆在气凝胶中；30.经拉曼测试可知，制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶具有高石墨化程度；31.经dsc测试可知，本发明制备的还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶基复合相变材料熔融温度在59.99-60.62℃之间，熔融焓在165.93-177j/g；结晶温度在38.53-39.82之间，结晶焓在163.07-173j/g；32.经200次dsc循环测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料具有高循环稳定性和热稳定性；33.经模拟太阳光测试可知，本发明所制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料光热转换效率在90％-96％；34.经泄露测试可知，本发明具有良好的防泄漏性能。35.因此，本发明相对于现有技术，具有以下优点：36.1、制备简单、绿色环保的新型光催化半导体改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯为原料，组装形成了具有异质结结构rgo/g-cn气凝胶；37.2、采用改性石墨化氮化碳和氧化石墨烯组装成具有异质结结构的碳气凝胶，解决了改性石墨化氮化碳易堆积的问题；38.3、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶和聚乙二醇的复合是物理作用，有效保持了相变材料的高相变潜热；39.4、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料具有高光热转换效率；40.5、本发明制备的异质结结构rgo/g-cn气凝胶具有高相变材料的负载量。附图说明：41.图1为实施例1、对比例1、对比例2、g-c3n4和go的ft-ir图；42.图2为实施例1、对比例1、对比例2、g-c3n4和go的xrd图；43.图3为实施例1、对比例1、对比例2的拉曼光谱；44.图4为实施例1、对比例1、对比例2的sem图；45.图5为实施例1作为相变材料的应用、对比例3、peg的ft-ir图；46.图6为实施例1、对比例3作为复合相变材料的应用的xrd图；47.图7为对比例1、对比例3作为相变材料应用的sem图；48.图8为实施例1防泄漏测试；49.图9为实施例1、对比例3的dsc测试；50.图10为实施例1在200次dsc循环测试；51.图11为实施例1的200次循环前后的红外光谱；52.图12为实施例1的光热转换测试曲线具体实施方式53.本发明通过实施例，结合说明书附图对本
发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。54.实施例155.一种g-cn添加量为25％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，包括以下步骤：56.步骤1，改性石墨化氮化碳g-cn的制备，在改性温度为80℃，改性时间为12h，稀硝酸浓度为3mol/l的条件下，将3g石墨化氮化碳cn加入到250ml的稀硝酸中搅拌，进行改性，即可得到改性石墨化氮化碳，简称为g-cn；57.步骤2，异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备，将1g步骤1所得g-cn与4g氧化石墨烯go悬浮液混合磁力搅拌24h后，加入30ml乙二胺调节溶液ph值为11并继续磁力搅拌1h后，再超声1h，得到反应液，然后，以水热温度为120℃，水热时间为6h的条件下进行水热反应，反应完毕后的产物在室温条件下进行洗涤后，在冷冻温度为-10℃，冷冻时间为12h的条件下进行冷冻，最后，在冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为72h的条件下进行冷冻干燥，即可得到g-cn添加量为25％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶，简称为gc-25。58.为证明gc-25成功制备，对gc-25进行ft-ir测试。测试结果如图1所示，在gc-25的红外光谱中出现了g-cn和石墨烯的红外特征峰，表明g-c3n4与rgo成功结合，制备了gc-25。59.为进一步证明g-cn成功引入到石墨烯气凝胶中，进行xrd测试。测试结果如图2所示，氧化石墨烯在11°左右有一个典型的特征峰，而该峰在异质结结构rgo/g-cn气凝胶中消失，在25°左右出现了石墨烯的特征峰，说明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯；将g-cn加入到氧化石墨烯基体中后，石墨烯在25°左右的特征峰仍然存在，表明石墨烯气凝胶的层堆积结构不变；在xrd中出现了g-cn的特征衍射峰，进一步证实g-cn成功引入到还原氧化石墨烯气凝胶中，成功制备了gc-25。60.为了证明gc-25的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.019，说明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。61.为证明制备的gc-25的孔隙结构、规则分层的多孔结构，掺杂的g-cn附着在石墨烯表面，对步骤2所得gc-25进行sem测试。测试结果如图4所示，gc-25气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。62.为了证明gc-25作为相变材料载体的应用效果，采用真空浸渍法，制备gc-25基复合相变材料。具体方法为，首先，以聚乙二醇质量为gc-25的4900％的比例称量原料，然后，将聚乙二醇置于80℃烘箱中融化，随后，将gc-25浸渍到融化的聚乙二醇中，即可制得改性石墨化氮化碳含量为25％的rgo/g-cn气凝胶基复合相变材料，简称为pcm-1。63.为了证明成功制备pcm-1，对制得的pcm-1进行了ft-ir测试，测试结果如图5所示，pcm-1红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明pcm-25成功制备。64.为了证明制备的pcm-1的晶体结构，进行了xrd测试。测试结果如图6所示，pcm-1存在peg衍射特征峰，并且，没有出现明显的偏移也未出现新的衍射峰。测试结果表明，gc-25成功包覆聚乙二醇。65.为了证明pcm-1的结构特征，进行sem测试，结果如图7所示，gc-25气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间没有明显的界限。表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料完全被气凝胶孔洞束缚，即具备防泄露性能。66.为了进一步证明pcm-1具有防泄漏性能，对pcm-1进行防泄漏测试。具体测试方法为，将相变材料和复合相变材料放入到80℃烘箱中，每隔30min观察peg和pcm-1的状态。测试结果如图8，peg在30min时已融化并向四周扩散，pcm-1直到60min仍保持形状稳定。实验结果表明，pcm-1具有良好的防泄漏性能。67.为了证明制备的pcm-1的相变性能，进行差示扫描量热dsc测试，测试结果如图9和表1所示，熔融温度为60.94℃，焓值为172.62j/g；结晶温度为39.50℃，结晶焓为168.51j/g。68.表1pcm-1、pcm-2的相变性能表[0069][0070]为了证明制备的pcm-1的热循环稳定性，进行200次dsc循环性能测试和循环前后的ft-ir测试。[0071]200次dsc循环性能测试，结果如图9所示，经过200次循环后，pcm-1的热循环曲线基本不变，损失的相变潜热极小，可以忽略不计，测试结果表明，pcm-1具有热循环稳定性；[0072]循环前后的ft-ir测试，结果如图10所示，循环前后的复合相变材料未观察到新的特征峰产生和峰的偏移，测试结果同样表明，pcm-1具有良好的热稳定性。[0073]为了证明pcm-1的光热转换效率，模拟太阳光进行光热转换性能测试。测试结果如图12所示，pcm-1在升温时的温度平台出现在52.6-52.8℃，这是由于peg融化吸热所致；冷却过程中，温度平台出现在47.2-40.8℃，这是由于peg结晶放热所致；为进一步验证pcm-1的光热转换性能，通过公式1计算了光热转换效率为90.33％，说明pcm-1具有良好的光热转换效率。[0074][0075]其中，p为光照强度、s为光照射面积、tt为吸热平台出现时间、tf为吸热平台结束时间、m为待测样品质量、δh为待测样品的熔融焓值。[0076]为了证明改性石墨化氮化碳对石墨烯气凝胶结构的影响，提供对比例1，即不添加改性石墨化氮化碳的还原氧化石墨烯气凝胶的制备方法。[0077]对比例1[0078]一种不添加改性石墨化氮化碳的还原氧化石墨烯气凝胶的制备方法，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：不进行所述步骤1的改性石墨化氮化碳的制备，所得材料为还原氧化石墨烯气凝胶，简称为rgc-0。[0079]为了证明rgc-0成功制备，对rgc-o进行了ft-ir测试。测试结果如图1所示，在rgc-0的红外光谱中出现了石墨烯的特征峰，表明rgc-0制备成功。[0080]为了进一步证明rgc-0的成功制备，对rgc-0进行了xrd测试。测试结果如图2所示，在25°出现石墨烯的特征峰，11°的氧化石墨烯特征峰消失。实验结果表明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯，即rgc-0成功制备。[0081]为了证明gc-25的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.019，表明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。[0082]为证明制备的rgc-0的多孔结构，进行sem测试。测试结果如图4所示，气凝胶表面光滑整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构。根据本领域公知常识可知，光滑的孔道结构不利于作为相变材料应用，进行peg的负载。[0083]为了证明g-cn添加量对异质结结构rgo/g-cn气凝胶的影响，提供对比例2。[0084]对比例2[0085]一种g-cn添加量为33％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶的制备方法，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：所述步骤2中，g-cn的添加量为33％，即2g的g-cn，所得材料为g-cn添加量为33％的异质结结构rgo/g-cn气凝胶，简称为gc-33。[0086]为证明gc-33成功制备，对gc-33进行ft-ir测试，测试结果如图1所示，在gc-33的红外光谱中出现了g-cn和rgo的红外特征峰，表明g-cn与rgo成功结合，即制备gc-33。[0087]为进一步证明g-cn成功引入到石墨烯气凝胶中，进行xrd测试。测试结果如图2所示，氧化石墨烯在11°左右有一个典型的特征峰，而该峰在异质结结构rgo/g-cn气凝胶中消失，在25°左右出现了石墨烯的特征峰，说明氧化石墨烯在水热反应中被还原为石墨烯，将g-cn加入到氧化石墨烯基体中后，石墨烯在25°左右的特征峰仍然存在，表明石墨烯气凝胶的层堆积结构不变；在xrd中出现了g-cn的特征衍射峰，进一步证实g-cn成功引入到还原氧化石墨烯气凝胶中，成功制备了gc-33。[0088]为了证明gc-33的石墨化程度，进行拉曼光谱测试。测试结果如图3所示，id/ig＝1.048，表明气凝胶石墨化程度高，结构规整有序。[0089]为证明制备的gc-33的的多孔结构，进行sem测试。测试结果如图4所示，gc-33气凝胶表面粗糙整体孔道分布均匀，形成连续的三维网格，呈规则的蜂窝状多孔结构，气凝胶片层之间的间距变小，出现部分粘连，根据本领域公知常识可知，小的间距减小了peg的负载量，影响复合相变材料的性能。[0090]为了证明peg吸附量对异质结结构rgo/g-cn气凝胶作为相变材料焓值的影响，提供对比例3。[0091]对比例3[0092]一种gc-25基复合相变材料的应用，未特别说明步骤与实施例1相同，不同之处在于：所述gc-25作为复合相变材料的应用浸渍peg的质量为气凝胶的4850％，简称pcm-2。[0093]为了证明成功制备pcm-2，对制得的pcm-2进行了ft-ir测试。测试结果如图5所示，pcm-2红外光谱中存在所有聚乙二醇的特征峰，且无新峰的出现，说明聚乙二醇和气凝胶之间不存在化学反应，结果表明pcm-2成功制备。[0094]为了证明制备的pcm-2的晶体结构，进行了xrd测试。测试结果如图6所示，pcm-2存在peg衍射特征峰，并且，没有出现明显的偏移也未出现新的衍射峰。测试结果表明，gc-25成功包覆聚乙二醇。[0095]为了证明pcm-2的结构特征，进行sem测试。结果如图7所示，gc-25气凝胶的孔洞明显填充，peg和气凝胶之间孔道光滑，孔结构减小，可以看到孔道结构，存在很多孔隙，表明peg和气凝胶之间具有相容性，相变材料被气凝胶孔洞束缚，浸渍的peg的量未达到饱和。[0096]为了证明制备的pcm-2的相变性能，进行差示扫描量热dsc测试。测试结果如图9和表1所示，熔融温度为60.62℃，焓值为165.93j/g；结晶温度为39.82℃，结晶焓为163.07j/g。[0097]通过实施例1、对比例1、对比例2、对比例3可以得到如下结论：[0098]1、改性石墨化氮化碳与氧化石墨烯可通过构建异质结结构实现均匀分散；[0099]2、改性石墨化氮化碳质量是石墨烯质量的0％-33％范围内，均可以制备还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶，并用在相变材料上，具有防泄漏的效果；[0100]3、制备的还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶石墨化程度高，具有规整的蜂窝状分级多孔结构，结构规整；[0101]4、dsc测试结果表明，复合相变材料焓值随着改性石墨化氮化碳的添加增加而降低，最高熔融焓值焓值为172.62j/g结晶焓为168.51j/g；[0102]5、200次dsc循环性能测试，复合相变材料的热循环曲线基本不变，损失的相变潜热极小；[0103]光热转换性能测试结果表明，还原氧化石墨烯/改性石墨化氮化碳气凝胶作为相变材料的应用，光热转换效率为90.33％。当前第1页12当前第1页12
再多了解一些
本文用于创业者技术爱好者查询，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
