摘要: 三维多孔纳米材料具有丰富的孔结构，密度低，比表面积较大等优点，这些优异的性质使其在催化剂载体、气体及乳液分离、污水处理及光热转化方面有着广阔的应用前景，然而目前仍然缺乏行之有效的方法制备出多功能的三维多孔纳米材料。本研究中我们利用... 展开 三维多孔纳米材料具有丰富的孔结构，密度低，比表面积较大等优点，这些优异的性质使其在催化剂载体、气体及乳液分离、污水处理及光热转化方面有着广阔的应用前景，然而目前仍然缺乏行之有效的方法制备出多功能的三维多孔纳米材料。本研究中我们利用简单水热方法制备了由酚醛树脂基纳米纤维交联的三维块体材料。该块体材料的润湿性可以通过控制水热温度予以调控，当温度超过220℃时，材料呈现超疏水性质，而当水热温度低于210℃时，材料呈现超亲水性质；而且基于聚合物材料高温煅烧的碳材料的润湿性呈现类似的性质。论文进一步研究了基于聚合物/碳纳米纤维材料的油水分离的实验，其中超疏水的聚合物/碳纤维可以有效分离油包水型的乳液，而超亲水的聚合物/碳纤维由于其水下超疏油的性质可以实现水包油型乳液的分离；此外，我们还进一步研究了碳纤维组成的块体材料的光热转化性能，良好的吸光率及三维孔洞结构使该碳材料具有优异的光热转化性能。论文形成的主要结论如下： 1.可调润湿性纳米线交织的酚醛树脂基聚合物海绵制备及其油水分离性能 采用苯酚、甲醛和二氨基苯并咪唑为前驱体，在阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵协助下，以水热法合成了具有高长径比的块状纳米纤维。通过调节水热温度，可以获得不同润湿性质的块状聚合物。当水热温度低于210℃时，聚合物表现为超亲水和水下超疏油状态。然而，当水热温度高于220℃时，聚合物表现为超疏水状态，该材料可吸收自身重量的12-28倍的有机液体。经过裁剪后的片状超疏水薄膜可以在40kPa的外部压力驱动下以6147Lm-2h-1的渗透通量进行油包水乳液的分离。此外，基于Hagen-Poiseuille方程动力学分析结果与实验相符；同时，从热力学的角度对聚合物乳液分离的稳定性进行了分析，揭示了分离的临界压力仅于纳米线的直径有关，纳米线的直径越小其稳定性越好。 2.纳米线交织的块状碳基材料的油水乳液分离性能 氮气氛围下直接煅烧块状纳米纤维聚合物可以得到碳纳米纤维块体材料。碳材料的润湿性很好地延续了聚合物纤维的润湿性。将水热温度为180℃的超亲水聚合物材料热解后，碳材料表面依然表现为超亲水性；与之类似的230℃的超疏水聚合物热解后， 碳材料也保持了超疏水性质。超疏水碳纳米纤维材料可以吸收9-21倍的自身重量的有机液体，其良好的机械性质和稳固的疏水性质使材料可以反复使用。同时其良好的耐热性可以保证其在50次燃烧循环后仍维持70%的初始吸油容量。此外，碳纳米材料可以分离含有表面活性剂的油包水乳液，渗透通量达105.7Lm-2h-1。 3.自漂浮纳米纤维交织而成的块体碳材料的光热转化性能 采用上述超亲水块体碳纤维材料用于光热转化实验。该材料具有的丰富孔洞结构在提供了高吸光率的同时保证了毛细芯吸作用下的流体输运。实验证明在一个太阳光照强度下，其蒸发速率为1.30kgm-2h-1，光热转化效率为84.3%；而当碳材料高于水面3cm时，蒸发速率提升至1.83kgm-2h-1，其光热转化效率提升至91.8%。纳米纤维碳材料可以有效的净化乳液，蒸发速率为1.75kgm-2h-1。另外，实验揭示了乙醇水溶液蒸发时碳表面自发形成液膜的现象及成因，并做了相关的理论分析。 收起