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華南理工劉偉峰和廣東工大邱學青《Mater. Horiz.》:配位輔助木質素光熱多米諾策略制備快速響應智能追光材料
2022-08-17  來源: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動的一種特性。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能量用于生物的自我生長和繁殖,這被認為是一種高效利用太陽能的有效策略。受此啟發(fā)的隨光源方向作向性運動的智能材料,它為高效利用太陽能、助力碳中和提供了一個重要途徑。然而,現(xiàn)有的向光材料往往由光熱介質和彈性體復配而成,常使用成本昂貴或不綠色的光熱轉化介質,抵消了向光材料的減碳效果。


  近日,華南理工大學劉偉峰和廣東工業(yè)大學邱學青教授團隊,使用極其常見的三元乙丙橡膠(EPDM)原料和極其普通的生物質木質素為綠色光熱轉化介質,提出了一種配位輔助多米諾光熱策略,通過配位鍵逐次優(yōu)化光熱轉化、界面熱傳遞和宏觀光熱驅動過程,制備了一種快速追光的向光材料。 


配位輔助多米諾策略示意圖


  首先利用不飽和有機金屬鹽改性木質素制備木質素-Zn配位化合物,隨后將木質素-Zn配位化合物接枝到EPDM骨架上,在木質素與EPDM間原位構建界面配位鍵,最后通過機械訓練重構界面配位鍵,使橡膠鏈段局部取向,制備出快速響應的追光材料。在此過程中,配位鍵首先能提高木質素在光照下產生的自由基濃度、促進木質素的光熱轉化;然后界面配位鍵能提高木質素與EPDM的界面作用力、提高界面接觸面積、增強界面熱傳遞,使木質素光照下產生的熱能快速地傳遞到彈性體基體中;最終,通過機械訓練強化配位鍵對橡膠鏈段的約束作用,促進鏈段取向,提高了驅動應變及響應溫度窗口。這些逐次的優(yōu)化過程就像多米諾效應一樣,以配位鍵作為初始推力,從光熱轉化到界面熱傳導,再到光熱驅動,逐次強化,就像多米諾骨牌效應一樣,直到最終目標得到快速響應向光材料。此外,不同于以往熱響應聚合物的溫度響應窗口受到較窄相變溫度的限制,本研究中的配位輔助機械訓練過程顯著拓寬了EPDM復合材料的溫度響應窗口。 


木質素配位化合物及木質素/EPDM復合材料的光熱性能及光熱增強機理


  所制備的木質素/EPDM復合材料能在2.5秒內完成對紅外光源的追蹤過程,并且也能追蹤太陽光源。由木質素/EPDM復合材料組裝而成的小型太陽能發(fā)電裝置可以跟隨光線轉向,輸出電流不隨太陽光入射角變化,顯示出在太陽能利用方向的應用潛力。 


木質素/EPDM復合材料的追光性能及太陽能發(fā)電應用


  這項工作的意義在于:


  1、首次證明了配位作用促進木質素基有機自由基的產生,并能有效提高木質素的光熱轉換能力(提高2.3倍),這為開發(fā)高性能生物質基光熱轉化介質提供了新思路。


  2、從微觀尺度優(yōu)化木質素的光熱轉化,介觀尺度優(yōu)化木質素與EPDM的界面熱傳遞,宏觀尺度優(yōu)化EPDM復合材料的熱驅動性能,多尺度闡明向光材料結構-性能之間的關系,為開發(fā)快速響應追光材料/光熱響應材料提供了新途徑。


  3、再次證明,木質素的共軛結構具有高效的光熱轉化功能,在功能和智能高分子材料領域具有巨大的應用潛力。


  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化學與化工學院博士生涂志凱,華南理工劉偉峰研究員和廣東工業(yè)大學邱學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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