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華南理工劉偉峰和廣東工大邱學(xué)青《Mater. Horiz.》：配位輔助木質(zhì)素光熱多米諾策略制備快速響應(yīng)智能追光材料
2022-08-17  來(lái)源：高分子科技

  向光性是許多生物（如向日葵）跟隨光源方向作向性運(yùn)動(dòng)的一種特性。這是由于向光行為有利于獲得更大光照面積，可以最大限度地獲取太陽(yáng)能量用于生物的自我生長(zhǎng)和繁殖，這被認(rèn)為是一種高效利用太陽(yáng)能的有效策略。受此啟發(fā)的隨光源方向作向性運(yùn)動(dòng)的智能材料，它為高效利用太陽(yáng)能、助力碳中和提供了一個(gè)重要途徑。然而，現(xiàn)有的向光材料往往由光熱介質(zhì)和彈性體復(fù)配而成，常使用成本昂貴或不綠色的光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)，抵消了向光材料的減碳效果。


  近日，華南理工大學(xué)劉偉峰和廣東工業(yè)大學(xué)邱學(xué)青教授團(tuán)隊(duì)，使用極其常見(jiàn)的三元乙丙橡膠（EPDM）原料和極其普通的生物質(zhì)木質(zhì)素為綠色光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)，提出了一種配位輔助多米諾光熱策略，通過(guò)配位鍵逐次優(yōu)化光熱轉(zhuǎn)化、界面熱傳遞和宏觀光熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程，制備了一種快速追光的向光材料。 


圖1 配位輔助多米諾策略示意圖


  首先利用不飽和有機(jī)金屬鹽改性木質(zhì)素制備木質(zhì)素-Zn配位化合物，隨后將木質(zhì)素-Zn配位化合物接枝到EPDM骨架上，在木質(zhì)素與EPDM間原位構(gòu)建界面配位鍵，最后通過(guò)機(jī)械訓(xùn)練重構(gòu)界面配位鍵，使橡膠鏈段局部取向，制備出快速響應(yīng)的追光材料。在此過(guò)程中，配位鍵首先能提高木質(zhì)素在光照下產(chǎn)生的自由基濃度、促進(jìn)木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)化；然后界面配位鍵能提高木質(zhì)素與EPDM的界面作用力、提高界面接觸面積、增強(qiáng)界面熱傳遞，使木質(zhì)素光照下產(chǎn)生的熱能快速地傳遞到彈性體基體中；最終，通過(guò)機(jī)械訓(xùn)練強(qiáng)化配位鍵對(duì)橡膠鏈段的約束作用，促進(jìn)鏈段取向，提高了驅(qū)動(dòng)應(yīng)變及響應(yīng)溫度窗口。這些逐次的優(yōu)化過(guò)程就像多米諾效應(yīng)一樣，以配位鍵作為初始推力，從光熱轉(zhuǎn)化到界面熱傳導(dǎo)，再到光熱驅(qū)動(dòng)，逐次強(qiáng)化，就像多米諾骨牌效應(yīng)一樣，直到最終目標(biāo)得到快速響應(yīng)向光材料。此外，不同于以往熱響應(yīng)聚合物的溫度響應(yīng)窗口受到較窄相變溫度的限制，本研究中的配位輔助機(jī)械訓(xùn)練過(guò)程顯著拓寬了EPDM復(fù)合材料的溫度響應(yīng)窗口。 


圖2 木質(zhì)素配位化合物及木質(zhì)素/EPDM復(fù)合材料的光熱性能及光熱增強(qiáng)機(jī)理


  所制備的木質(zhì)素/EPDM復(fù)合材料能在2.5秒內(nèi)完成對(duì)紅外光源的追蹤過(guò)程，并且也能追蹤太陽(yáng)光源。由木質(zhì)素/EPDM復(fù)合材料組裝而成的小型太陽(yáng)能發(fā)電裝置可以跟隨光線轉(zhuǎn)向，輸出電流不隨太陽(yáng)光入射角變化，顯示出在太陽(yáng)能利用方向的應(yīng)用潛力。 


圖3 木質(zhì)素/EPDM復(fù)合材料的追光性能及太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用


  這項(xiàng)工作的意義在于：


  1、首次證明了配位作用促進(jìn)木質(zhì)素基有機(jī)自由基的產(chǎn)生，并能有效提高木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換能力（提高2.3倍），這為開(kāi)發(fā)高性能生物質(zhì)基光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)提供了新思路。


  2、從微觀尺度優(yōu)化木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)化，介觀尺度優(yōu)化木質(zhì)素與EPDM的界面熱傳遞，宏觀尺度優(yōu)化EPDM復(fù)合材料的熱驅(qū)動(dòng)性能，多尺度闡明向光材料結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，為開(kāi)發(fā)快速響應(yīng)追光材料/光熱響應(yīng)材料提供了新途徑。


  3、再次證明，木質(zhì)素的共軛結(jié)構(gòu)具有高效的光熱轉(zhuǎn)化功能，在功能和智能高分子材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。


  該工作A fast-response biomimetic phototropic material built by a coordination-assisted photothermal domino strategy 最近發(fā)表在Materials Horizons，論文第一作者為華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生涂志凱，華南理工劉偉峰研究員和廣東工業(yè)大學(xué)邱學(xué)青教授為論文共同通訊作者。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH00859A

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