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寧波材料所陳濤/肖鵬團隊 Adv. Mater. 綜述：超疏水光熱材料及其前沿應(yīng)用

2024-05-10 來源：高分子科技

太陽能的轉(zhuǎn)換與利用是緩解全球能源危機和環(huán)境問題的重要戰(zhàn)略之一。作為一種綠色、低能耗的直接且高效的能量轉(zhuǎn)化策略，太陽能-熱轉(zhuǎn)換能夠輕易地將入射的太陽光轉(zhuǎn)化為可觀的熱量以促進能源的再利用。然而，當(dāng)傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換材料暴露在水環(huán)境下，由于水的高比熱容導(dǎo)致材料光熱轉(zhuǎn)換效率降低，難以維持性能的穩(wěn)定。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，將超疏水功能結(jié)構(gòu)引入光熱材料體系有望實現(xiàn)高效穩(wěn)定的熱供應(yīng)以及在各種水環(huán)境下創(chuàng)造新的功能應(yīng)用。

超疏水光熱材料(SSTMs)具有協(xié)同拒水性和光熱轉(zhuǎn)換的特性，在抗冰除冰、海水淡化、原油收集、光驅(qū)動執(zhí)行器、熱量管理以及生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。SSTMs的典型優(yōu)點是即使在水的環(huán)境下仍能實現(xiàn)穩(wěn)定的光熱轉(zhuǎn)換和持續(xù)的熱能供應(yīng)，從而提高能源利用效率。盡管一系列超疏水光熱材料被研究和報導(dǎo)，但其工作機制、制備策略及前沿應(yīng)用尚未進行系統(tǒng)的總結(jié)和探討。

近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點實驗室智能高分子材料團隊陳濤研究員和肖鵬研究員一直致力超疏水太陽能-熱轉(zhuǎn)換材料及其在海水淡化、能量管理及智能驅(qū)動等方面的應(yīng)用研究。近日，該團隊受邀在Advanced Materials 上發(fā)表了題為“Superhydrophobic Solar-to-Thermal Materials Toward Cutting-Edge Applications”的綜述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311453）。該綜述系統(tǒng)總結(jié)了近年來超疏水光熱材料的研究進展 (圖1-2)。

文中，作者首先介紹了太陽能-熱轉(zhuǎn)換材料的基本概念及機制，包括等離子體局部加熱(金屬材料)、非輻射弛豫(半導(dǎo)體)和分子熱振動(碳和有機聚合物材料)。為了提高光熱轉(zhuǎn)換效率，光熱性能材料應(yīng)滿足高寬帶(300-2500 nm)太陽能吸收和低透射/反射率的特性（圖3）。作者還詳細介紹了超疏水材料的基本結(jié)構(gòu)與原理（圖4）。隨后，作者重點介紹了超疏水光熱材料的制備策略，包括激光刻蝕法、噴涂法、模板法、化學(xué)沉積、浸涂法及層層自組裝（圖5-9）。上述方法制備得到的材料性能及優(yōu)缺點被詳細總結(jié)在表中。此外，作者全面綜述了超疏水光熱材料在抗冰除冰（圖10-11）、海水淡化（圖12）、原油收集（圖13）、光驅(qū)動執(zhí)行器（圖14）、可穿戴熱管理（圖15）、室內(nèi)熱管理（圖16）以及生物醫(yī)用（圖17）領(lǐng)域的最新進展；并總結(jié)了光熱轉(zhuǎn)換和超疏水功能結(jié)構(gòu)在各個領(lǐng)域發(fā)揮的協(xié)同作用，例如增強光吸收、降低流體的阻力與粘附、抗鹽阻塞、防水、自清潔、殺菌等。最后，討論了超疏水光熱材料面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向進行了展望。希望SSTMs的典型特征能夠激發(fā)新的靈感，吸引更多志同道合的研究者。