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中國科學技術大學研制出具有自組織表面微結構的多層柔性聚吡咯,可幫助實現高效光熱能量轉換
發布者:lzx | 來源:MaterialsViews | 0評論 | 2605查看 | 2019-04-10 11:09:13    

直接將太陽能轉化為熱能是有效的太陽能利用方式之一,其應用主要包括水蒸氣蒸發,海水淡化,室內供暖以及光致驅動器。傳統的導電高分子例如聚吡咯、聚苯胺等具有優秀的光熱轉換性能、較低的熱導率和較高的光學穩定性,是理想的輕質高效光熱轉換材料。然而,目前基于導電高分子的光熱轉換材料因缺乏有效的太陽光捕獲手段導致太陽光譜利用率低從而直接限制其光熱能量轉換效率。


近日,中國科學技術大學徐航勛教授課題組利用模板法,通過可控逐層界面聚合的方式直接在多種載體上得到具有表面微結構的多層聚吡咯納米片(每層厚度約為100nm)成功實現寬光譜太陽光吸收和高效太陽能光熱轉換。


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由于聚吡咯納米片與載體之間彈性模量的差異,當聚吡咯納米片層生長在載體上時,聚吡咯片層會發生形變來釋放界面能量進而在其表面形成無規分布的褶皺等表面微結構。隨著層數的增加,累積的界面能會使聚吡咯進一步發生形變導致表面褶皺程度也進一步加大并在達到10層的時候表面褶皺程度達到最大值。


得益于多層聚吡咯在聚合過程中自發生成的獨特褶皺結構,不同角度的入射光都會在聚吡咯表面經過多重反射后被吸收,促進了多層聚吡咯納米片的全方位光捕捉能力。測量結果顯示,10層聚吡咯納米片的在太陽光譜范圍內的光吸收率超過99%;在1KW/m2太陽光的照射下的光熱轉換效率達到95.33%,超過了之前所報道的其他無機/有機光熱能量材料。


由于聚吡咯與載體以及聚吡咯片層之間具有很強的氫鍵相互作用,同時,聚吡咯表面組織的微結構使得聚吡咯體系具有很強的柔韌性和抗彎折能力,能夠經受不同程度的機械形變而不影響光熱轉換性能。


鑒于所制備聚吡咯結構高效的光熱轉換能力,研究人員設計了一系列實驗來評價其在實際光熱轉換應用中的潛力。例如,將其作為吸光層用于直接光熱轉換時,其效果遠超過商用的黑色吸光布;而利用聚吡咯/PVDF雙層結構用作光致驅動器時,則可以實現快速大角度的光照形變,并能在撤掉光源后快速回復;另外,上述材料還展現出優異的水蒸氣蒸發效率,同時在海水淡化及污染物處理方面的效果也十分顯著。


該研究不僅提供了一種制備具有表面微結構的多層聚合物薄膜并利用自發生成的表面結構以提高其光捕捉能力的方法,同時也為今后設計簡單高效的光熱能量轉換材料提供了新的思路和見解。


注:相關結果發表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201807716)上。

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