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直接(jie)將太陽能轉化為熱能是有效(xiao)的(de)(de)太陽能利用方式之一，其應用主要包括水(shui)蒸(zheng)氣蒸(zheng)發，海水(shui)淡化，室內供暖以及光(guang)致驅動(dong)器。傳統的(de)(de)導(dao)(dao)電(dian)高(gao)(gao)分子例如(ru)聚(ju)吡咯、聚(ju)苯胺等具有優秀的(de)(de)光(guang)熱轉換(huan)(huan)性(xing)能、較低(di)的(de)(de)熱導(dao)(dao)率(lv)和較高(gao)(gao)的(de)(de)光(guang)學(xue)穩定性(xing)，是理想的(de)(de)輕質(zhi)高(gao)(gao)效(xiao)光(guang)熱轉換(huan)(huan)材料(liao)。然而，目前(qian)基于導(dao)(dao)電(dian)高(gao)(gao)分子的(de)(de)光(guang)熱轉換(huan)(huan)材料(liao)因(yin)缺乏有效(xiao)的(de)(de)太陽光(guang)捕獲手(shou)段導(dao)(dao)致太陽光(guang)譜(pu)利用率(lv)低(di)從而直接(jie)限(xian)制其光(guang)熱能量(liang)轉換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)。

近日，中國科(ke)學技(ji)術大(da)學徐(xu)航勛(xun)教授課題組(zu)利用模板法(fa)，通過可控逐層(ceng)界面聚合的方(fang)式(shi)直接在多(duo)種載體上得到具有表面微結(jie)構的多(duo)層(ceng)聚吡(bi)咯(ge)納米片(每層(ceng)厚度約為100nm)成功實現寬光(guang)譜太陽(yang)光(guang)吸收和高(gao)效(xiao)太陽(yang)能光(guang)熱轉換。

由于(yu)聚(ju)吡(bi)咯(ge)納(na)米片(pian)與載體之間彈性模量(liang)的(de)差異(yi)，當聚(ju)吡(bi)咯(ge)納(na)米片(pian)層(ceng)生(sheng)長在(zai)(zai)載體上時，聚(ju)吡(bi)咯(ge)片(pian)層(ceng)會(hui)發生(sheng)形(xing)變(bian)來(lai)釋放界(jie)面(mian)(mian)能量(liang)進(jin)(jin)而(er)在(zai)(zai)其表(biao)面(mian)(mian)形(xing)成無規分布的(de)褶(zhe)皺(zhou)(zhou)等表(biao)面(mian)(mian)微結構。隨(sui)著層(ceng)數的(de)增加，累積的(de)界(jie)面(mian)(mian)能會(hui)使(shi)聚(ju)吡(bi)咯(ge)進(jin)(jin)一步(bu)發生(sheng)形(xing)變(bian)導致表(biao)面(mian)(mian)褶(zhe)皺(zhou)(zhou)程(cheng)度也進(jin)(jin)一步(bu)加大(da)并在(zai)(zai)達到10層(ceng)的(de)時候表(biao)面(mian)(mian)褶(zhe)皺(zhou)(zhou)程(cheng)度達到最大(da)值。

得益于多(duo)(duo)層(ceng)聚(ju)吡咯(ge)在(zai)聚(ju)合(he)過(guo)程中(zhong)自發生成的(de)(de)(de)(de)獨特褶皺結(jie)構，不同角度的(de)(de)(de)(de)入射光(guang)(guang)都會在(zai)聚(ju)吡咯(ge)表面經過(guo)多(duo)(duo)重反射后被吸(xi)收(shou)(shou)，促進了多(duo)(duo)層(ceng)聚(ju)吡咯(ge)納米片的(de)(de)(de)(de)全方位光(guang)(guang)捕捉能(neng)力。測量結(jie)果(guo)顯示(shi)，10層(ceng)聚(ju)吡咯(ge)納米片的(de)(de)(de)(de)在(zai)太陽光(guang)(guang)譜(pu)范(fan)圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)吸(xi)收(shou)(shou)率超(chao)過(guo)99%；在(zai)1KW/m2太陽光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)照射下的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱轉(zhuan)換效率達到95.33%，超(chao)過(guo)了之前所(suo)報道的(de)(de)(de)(de)其他無機/有機光(guang)(guang)熱能(neng)量材料。

由于(yu)聚吡咯(ge)與載體以及聚吡咯(ge)片層(ceng)之間(jian)具有很強(qiang)(qiang)的(de)氫鍵相互作用，同時，聚吡咯(ge)表(biao)面組織的(de)微結構使(shi)得聚吡咯(ge)體系(xi)具有很強(qiang)(qiang)的(de)柔韌性(xing)和(he)抗彎(wan)折能(neng)力(li)，能(neng)夠經(jing)受不(bu)同程度的(de)機械形變而不(bu)影響光熱(re)轉換(huan)性(xing)能(neng)。

鑒于所制備聚(ju)吡(bi)咯結構高效的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱轉換(huan)能(neng)(neng)力，研究人員設(she)計了一系列實(shi)驗來評價其(qi)在實(shi)際光(guang)(guang)(guang)(guang)熱轉換(huan)應用(yong)(yong)(yong)中的(de)潛力。例如，將(jiang)其(qi)作為(wei)吸(xi)光(guang)(guang)(guang)(guang)層(ceng)用(yong)(yong)(yong)于直接(jie)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱轉換(huan)時，其(qi)效果遠超(chao)過商用(yong)(yong)(yong)的(de)黑色吸(xi)光(guang)(guang)(guang)(guang)布；而利(li)用(yong)(yong)(yong)聚(ju)吡(bi)咯/PVDF雙層(ceng)結構用(yong)(yong)(yong)作光(guang)(guang)(guang)(guang)致(zhi)驅動器(qi)時，則可以實(shi)現快(kuai)速大(da)角度(du)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)照形變，并能(neng)(neng)在撤(che)掉光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)后快(kuai)速回(hui)復；另外，上述材料還展現出優異的(de)水蒸(zheng)氣蒸(zheng)發效率，同時在海水淡(dan)化及污(wu)染物處理方面的(de)效果也十分顯著。

該研究不(bu)僅提(ti)供了一種制備具有表面微結構的多層聚(ju)合物薄(bo)膜并利用自發生成(cheng)的表面結構以(yi)提(ti)高其光(guang)捕(bu)捉能力(li)的方(fang)法，同時也(ye)為(wei)今后(hou)設(she)計(ji)簡單(dan)高效(xiao)的光(guang)熱能量(liang)轉換材料提(ti)供了新的思路和見(jian)解。

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