本發(fā)明屬于木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換，具體涉及一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、木質(zhì)素是世界上含量僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，被譽為21世紀(jì)可被人類利用的最豐富的綠色資源之一。但目前只有極少數(shù)工業(yè)木質(zhì)素被開發(fā)為商品化產(chǎn)品，遠(yuǎn)沒有被充分利用。絕大部分的工業(yè)木質(zhì)素被堆放或直接焚燒，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且也造成資源大量浪費。由于木質(zhì)素分子具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在植物中起粘結(jié)作用，可一定程度提高材料的機械強度。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素含碳量高，具有光熱效應(yīng)，在全光譜范圍內(nèi)均能吸收太陽能。因此木質(zhì)素在太陽能驅(qū)動的光熱轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域具有一定的潛力。然而迄今為止，以木質(zhì)素為原料制備界面蒸發(fā)材料的相關(guān)研究卻少見。因此，開發(fā)新策略以解決木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換性能低，實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換材料低制備工藝和原料的綠色化，對實現(xiàn)木質(zhì)素高值化利用，減少資源浪費和環(huán)境污染，具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。

2、研究顯示，當(dāng)太陽能被捕獲后，它可以通過光激發(fā)轉(zhuǎn)換成各種類型的能量，如熱能、電能和化學(xué)能。其中，轉(zhuǎn)化為熱能是一種能量效率最高的直接轉(zhuǎn)化過程。材料吸收電磁輻射，通過晶格振動或電子振蕩提高溫度。根據(jù)材料的電子結(jié)構(gòu)或能帶結(jié)構(gòu)，將光熱轉(zhuǎn)換機制分為三大類：等離子體共振加熱，半導(dǎo)體的非輻射弛豫，分子的熱振動。

3、理論上，木質(zhì)素分子中的π-π疊加不僅為分子的自組裝提供動力，而且促進(jìn)非輻射遷移并觸發(fā)光熱轉(zhuǎn)換，木質(zhì)素可以進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，這歸因于木質(zhì)素分子中π-π堆積促進(jìn)的非輻射遷移。研究者受黑色素中共軛結(jié)構(gòu)的相互作用有助于光熱轉(zhuǎn)換的啟發(fā)，首先證明木質(zhì)素納米粒子(l-nps)可以進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，作者認(rèn)為這是木質(zhì)素分子的π-π堆積引起的。為了驗證這一結(jié)果，他們采用長烷基鏈對木質(zhì)素進(jìn)行了改性，以抑制分子π-π堆積。結(jié)果顯示，改性木質(zhì)素制備的納米顆粒光熱轉(zhuǎn)換降低。另有研究者比較了堿木質(zhì)素(al)、低分子量堿木質(zhì)素(aoh)和酶解木質(zhì)素(el)的光熱轉(zhuǎn)換效率。al、el和aoh的紫外可見光-近紅外光譜顯示，所有木質(zhì)素均表現(xiàn)為單波段吸收特征，最大吸收峰在356nm左右。隨著波長的增加，光吸收逐漸減弱，但在808nm處仍表現(xiàn)出較高的吸收(al～0.18，el～0.16，aoh～0.11)，表明可見光和近紅外光都可以作為木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換的照明光源。雖然在808nm處木質(zhì)素的光吸收順序為al>el>aoh，但aoh的光熱轉(zhuǎn)化效率最大(53.7％)，高于大多數(shù)共軛有機光熱材料。

4、綜上，目前科技工作者已經(jīng)揭示了木質(zhì)素的光熱效應(yīng)主要來自木質(zhì)素分子間的π-π堆積所引發(fā)的非輻射遷移，但其光熱轉(zhuǎn)化效率偏低。如何提升木質(zhì)素的光吸收率，促進(jìn)其光熱轉(zhuǎn)化，還需要進(jìn)一步全面研究其光熱轉(zhuǎn)化效率的主要控制因素，并能實現(xiàn)主動調(diào)控。此外，雖然文獻(xiàn)證明了木質(zhì)素的光熱機理和可能影響木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換性能的因素，但如何開發(fā)策略以提升木質(zhì)素光熱性能尚未有文獻(xiàn)報道。因此，深入探討木質(zhì)素光熱性能的增強機制，對拓寬木質(zhì)素的高價值利用有重要影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換性能低下，以及填補如何提升木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換能力的空白，拓展木質(zhì)素在光熱轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域的應(yīng)用，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法制得的一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素。

3、本發(fā)明的再一目的在于提供上述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素在海水蒸發(fā)器中的應(yīng)用。

4、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

5、一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，包括以下步驟：

6、(1)將木質(zhì)素充分溶解在醇溶劑中，然后抽濾洗滌，得到萃取木質(zhì)素；

7、(2)將萃取木質(zhì)素溶解于堿性溶液中，得到木質(zhì)素溶液；在加熱條件下加入甲醛，反應(yīng)，抽濾洗滌，得到高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素。

8、優(yōu)選地，步驟(1)所述木質(zhì)素為堿木質(zhì)素、酶解木質(zhì)素和木質(zhì)素磺酸鹽中的至少一種；更優(yōu)選為堿木質(zhì)素、酶解木質(zhì)素和木質(zhì)素磺酸鈉中的至少一種。

9、優(yōu)選地，步驟(1)所述醇溶劑為無水乙醇～。

10、優(yōu)選地，步驟(1)所述木質(zhì)素與醇溶劑的比例為1g：40～60ml；更優(yōu)選為1g：50ml。

11、優(yōu)選地，步驟(1)所述抽濾洗滌的目的是去除木質(zhì)素不溶于醇溶劑的組分。

12、優(yōu)選地，步驟(2)所述堿性溶液為氫氧化鈉溶液和氫氧化鉀溶液中的至少一種；所述堿性溶液的濃度為0.01～0.05mol/l；更優(yōu)選為0.05mol/l。

13、優(yōu)選地，步驟(2)所述萃取木質(zhì)素和堿性溶液的比例為1g：5～15ml；更優(yōu)選為1g：10ml。

14、優(yōu)選地，步驟(2)所述加熱和反應(yīng)的溫度均為70～90℃；更優(yōu)選為80℃。

15、優(yōu)選地，步驟(2)所述反應(yīng)的時間為2～6h；更優(yōu)選為4h。

16、優(yōu)選地，步驟(2)所述甲醛分兩次加料，兩次加料時間間隔為1～3h；更優(yōu)選為2h。

17、優(yōu)選地，步驟(2)所述甲醛以質(zhì)量濃度為30～40％的甲醛溶液的形式加入，所述萃取木質(zhì)素和甲醛溶液的比例為1g：10～30ml；更優(yōu)選為1g：20ml。

18、上述制備方法制得的一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素。

19、上述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的應(yīng)用。

20、優(yōu)選地，所述高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素在海水蒸發(fā)中的應(yīng)用。

21、更優(yōu)選地，所述高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素可直接作為海水蒸發(fā)器使用，也可以作為原料之一制備海水蒸發(fā)器使用。

22、本發(fā)明利用木質(zhì)素自身光熱效應(yīng)的特點，開發(fā)一種新策略以提升木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換性能。首先將木質(zhì)素充分溶解于無水乙醇中萃取低分子量木質(zhì)素，隨后將低分子量木質(zhì)素充分溶解并在一定溫度下加入一定量的甲醛溶液并充分反應(yīng)，隨后洗滌干燥得到木質(zhì)素光熱效應(yīng)強化的改性木質(zhì)素材料。

23、由于木質(zhì)素分子中π-π堆積促進(jìn)的非輻射遷移，木質(zhì)素在改性之后具有更強的光熱效應(yīng)，改性木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換效率高，同等光照條件下具有更高的溫度值，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)52％左右，最高升溫溫度達(dá)112℃且成本低廉。所制備的改性木質(zhì)素生產(chǎn)工藝簡單，原料來源廣泛，價格低廉，解決了現(xiàn)有光熱材料制備成本和光熱性能不可兼得的問題，本發(fā)明構(gòu)建的改性木質(zhì)素將對后續(xù)研究木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換性能的提升提供有價值的數(shù)據(jù)及參考。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

25、(1)本發(fā)明以工業(yè)木質(zhì)素為原料，來源廣泛，價格低廉，環(huán)境友好，具有良好的生物相容性和可降解性，有助于實現(xiàn)木質(zhì)素的高值化利用，為工業(yè)木質(zhì)素擴大應(yīng)用范圍；

26、(2)本發(fā)明反應(yīng)條件簡單溫和，能較大批量反應(yīng)，原料為生物質(zhì)資源，毒性小，為環(huán)境友好型材料而且所得改性木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換效率得到極大的提升，可以達(dá)到52％左右。

技術(shù)特征：

1.一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述甲醛以質(zhì)量濃度為30～40％的甲醛溶液的形式加入；所述萃取木質(zhì)素和甲醛溶液的比例為1g：10～30ml；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述加熱和反應(yīng)的溫度均為70～90℃；反應(yīng)的時間為2～6h；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述萃取木質(zhì)素和堿性溶液的比例為1g：5～15ml；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述木質(zhì)素與醇溶劑的比例為1g：40～60ml；

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述甲醛以質(zhì)量濃度為37％的甲醛溶液的形式加入；所述萃取木質(zhì)素和甲醛溶液的比例為1g：20ml；

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述加熱和反應(yīng)的溫度均為80℃；反應(yīng)時間為4h；

8.權(quán)利要求1～7任一項所述制備方法制得的一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素。

9.權(quán)利要求8所述一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素在的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述應(yīng)用，其特征在于，所述高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素在海水蒸發(fā)中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高光熱轉(zhuǎn)換效率的改性木質(zhì)素及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明首先將木質(zhì)素充分溶解于乙醇中萃取低分子量木質(zhì)素，隨后將低分子量木質(zhì)素充分溶解并在加熱下加入甲醛進(jìn)行反應(yīng)，得到高光熱效應(yīng)的改性木質(zhì)素。本發(fā)明利用木質(zhì)素自身光熱效應(yīng)的特點，開發(fā)一種新策略以提升木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換性能。木質(zhì)素在改性之后具有更強的光熱效應(yīng)，同等光照條件下具有更高的溫度值，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)52％左右，最高升溫溫度達(dá)112℃且成本低廉。且所制備的改性木質(zhì)素生產(chǎn)工藝簡單，原料來源廣泛，價格低廉，解決了現(xiàn)有光熱材料制備成本和光熱性能不可兼得的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭大鋒,邵旗招,劉偉峰,邱學(xué)青,許安琪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9