[發明專利]一種基于脈沖激光的多級孔結構氣凝膠及制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310303307.8
• 申請日: 2023-03-27
• 公開（公告）號: CN116272701A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 崔洪芝;徐瑞琪;趙君;趙明崗;魏娜;王愛萍
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;B23K26/382
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 趙龍群

本發明公開了一種基于脈沖激光的多級孔結構氣凝膠及制備方法和應用，屬于太陽能轉換利用技術領域。它以含硅納米無機材料為冷凍基元，生物質聚合物為交聯劑，去離子水為溶劑，將三者均勻混合靜置凝固形成水凝膠后，再經冷凍形成冰晶，接著采用冷凍干燥技術以去除冰晶從而形成微米?納米級多孔氣凝膠；最后采用脈沖激光技術對所得微米?納米級氣凝膠進行毫米孔定制化沖孔，最終得到毫米?微米?納米多級孔氣凝膠。本發明首次利用激光器的高單脈沖能量，對氣凝膠進行毫米級孔的定制化優化調控，不受模板尺寸及形狀的限制，僅通過簡單的編程即可實現毫米孔的多樣化設計，方法簡單，工藝穩定，可復現性好。

技術領域

本發明屬于氣凝膠材料制備技術領域，尤其是用于太陽能轉換利用的氣凝膠材料，具體涉及一種可定制垂直定向毫米孔-三維連通微米-納米孔的多級孔結構的含硅無機-有機復合氣凝膠的制備方法和應用。

背景技術

隨著不可再生能源的日益消耗，利用可再生能源進行能源轉型已成為未來的重要發展趨勢。太陽能具有資源豐富，綠色清潔無污染的特點。對太陽能進行利用和轉換來代替部分化石能源的消耗，對環境保護及可持續發展具有重要的意義。設計開發具有輕質、高效、可規模化生產的太陽能轉換利用材料，是實現太陽能實際應用的重要途徑。

氣凝膠材料具有低線性密度，質量輕，低熱導率，大比表面積、高孔隙率等優良特點，被廣泛應用于生活、生產。氣凝膠材料通常在超臨界干燥或冷凍干燥條件下形成，具有三維多孔網絡骨架結構，而其孔結構特性往往由冷凍基元及交聯強度共同影響。一般常用化學交聯或物理交聯來保證氣凝膠的強度。化學交聯是指單體在化學交聯劑的作用下，引發單體發生縮聚或共聚反應，形成共價鍵來構筑三維網絡結構。物理交聯是通過物理作用力，如氫鍵、配位鍵、范德華力、分子間纏繞等結合交聯而成的三維聚合物網絡。選擇不同特點的交聯劑能夠調控氣凝膠的孔結構及交聯強度，使其滿足多種服役環境需求。聚乙烯醇具有豐富的羥基，是一種用途廣泛的水溶性高分子聚合物，有良好的成膜性、熱穩定性、粘接性、耐磨性、自修復性以及較好的機械強度，并且具有突出的生物相容性、生物可降解性及無毒無害等特性，在環境保護領域具有獨特的優勢。瓊脂作為一種良好的生物相容性多糖類物質，含有豐富的羧基，在90℃水溫下溶解，并能在室溫下固化，具有優異的可回收性能。因此，選擇適當的交聯劑，利用多種交聯機理，能夠有效提高氣凝膠的交聯強度。

氣凝膠材料具有孔結構可控，孔隙率高的特點，應用于太陽能驅動的水蒸發領域，不僅能夠在太陽光吸收方面提供可觀的吸光面積，同時能夠為水傳輸和蒸汽逸出提供豐富的通道。因此，氣凝膠材料在太陽能驅動的界面水蒸發進行海水淡化，污水處理，光熱催化等領域具有廣闊的應用前景。然而，氣凝膠的內部孔徑往往為2-50nm的介孔，具有單一孔結構的氣凝膠在水傳輸，光吸收，熱量傳導，能量利用等方面具有諸多限制，而具有多級孔結構的氣凝膠無疑會提供更大的比表面積進行太陽能光吸收，同時能夠利用孔徑調控發揮毛細作用改善供水速率。此外，在氣凝膠內部構建直通孔結構，能夠利用縱向的鹽分濃度差形成表面張力梯度，發揮馬蘭戈尼效應，促進鹽離子遷移，從而實現氣凝膠材料的抗鹽析出功能設計。而協同利用毫米-微米-納米多級孔結構的光吸收及物質交換能力，更會為氣凝膠在海水脫鹽，污水處理，空氣凈化等環境保護領域提供更多的應用潛力。因此，氣凝膠的孔徑分布及孔結構需要進一步調控優化，從而保障其結構性的同時實現多功能性。