具有自组织表面微结构的多层柔性聚吡咯实现高效光热能量转换

直接将太阳能转化为热能是有效的太阳能利用方式之一,其应用主要包括水蒸气蒸发,海水淡化,室内供暖以及光致驱动器。传统的导电高分子例如聚吡咯、聚苯胺等具有优秀的光热转换性能、较低的热导率和较高的光学稳定性,是理想的轻质高效光热转换材料。然而,目前基于导电高分子的光热转换材料因缺乏有效的太阳光捕获手段导致太阳光谱利用率低从而直接限制其光热能量转换效率。

近日,中国科学技术大学徐航勋教授课题组利用模板法,通过可控逐层界面聚合的方式直接在多种载体上得到具有表面微结构的多层聚吡咯纳米片(每层厚度约为100 nm)成功实现宽光谱太阳光吸收和高效太阳能光热转换。由于聚吡咯纳米片与载体之间弹性模量的差异,当聚吡咯纳米片层生长在载体上时,聚吡咯片层会发生形变来释放界面能量进而在其表面形成无规分布的褶皱等表面微结构。随着层数的增加,累积的界面能会使聚吡咯进一步发生形变导致表面褶皱程度也进一步加大并在达到10层的时候表面褶皱程度达到最大值。得益于多层聚吡咯在聚合过程中自发生成的独特褶皱结构,不同角度的入射光都会在聚吡咯表面经过多重反射后被吸收,促进了多层聚吡咯纳米片的全方位光捕捉能力。测量结果显示,10层聚吡咯纳米片的在太阳光谱范围内的光吸收率超过99%;在1 KW/m2 太阳光的照射下的光热转换效率达到95.33%,超过了之前所报道的其他无机/有机光热能量材料。由于聚吡咯与载体以及聚吡咯片层之间具有很强的氢键相互作用,同时,聚吡咯表面组织的微结构使得聚吡咯体系具有很强的柔韧性和抗弯折能力,能够经受不同程度的机械形变而不影响光热转换性能。

鉴于所制备聚吡咯结构高效的光热转换能力,研究人员设计了一系列实验来评价其在实际光热转换应用中的潜力。例如,将其作为吸光层用于直接光热转换时,其效果远超过商用的黑色吸光布;而利用聚吡咯/PVDF双层结构用作光致驱动器时,则可以实现快速大角度的光照形变,并能在撤掉光源后快速回复;另外,上述材料还展现出优异的水蒸气蒸发效率,同时在海水淡化及污染物处理方面的效果也十分显著。

该研究不仅提供了一种制备具有表面微结构的多层聚合物薄膜并利用自发生成的表面结构以提高其光捕捉能力的方法,同时也为今后设计简单高效的光热能量转换材料提供了新的思路和见解。

相关结果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201807716)上。

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