Advanced Functional Materials:高效D-A型有机小分子光热材料构筑及太阳能水-电联产应用

随着人口的快速增长和生活水平的提高,淡水的需求达到了前所未有的水平。因此,发展新型环保技术以实现可持续发展目标意义重大。太阳能光热转化技术被认为是一种可再生、绿色、无污染的可持续发展方式。在光热转换过程中,水的蒸发方式对光热转换效率和蒸发速率有重要影响。近年来,界面蒸发成为构建太阳能驱动水蒸发系统的主要结构导向,该系统由太阳能吸收层(光热材料)、蒸汽逃逸通道、输水通道和保温层组成。因此,开发新型界面蒸发体系及利用余热发电具有可行性和挑战性。

目前常见的光热材料主要有碳基无机材料、金属基无机材料、有机聚合物、有机-无机杂化材料、有机共晶材料和纯有机小分子材料。其中,有机小分子光热材料以其加工可行性、结构多样性和性能优良等独特优势受到越来越多的关注。有机小分子光热材料作为太阳能吸收材料,可以在水蒸发过程中收集余热发电,为实现光热水蒸发和热电发电的多功能器件的研制提供了可能。尽管有机光热小分子在太阳能捕获和转换方面有着广阔的前景,但仍需进一步拓宽其吸收光谱,提升光热转换效率,从而使其应用于高性能的水-电联产器件,如图1所示。具有给体-受体(D-A)结构的有机共轭分子可以通过有效的电子离域作用在很大程度上红移吸收光谱。此外,共轭刚性平面结构有助于聚集体的π-π叠加,从而进一步拓宽吸收光谱。根据能隙定律,由此产生的小能隙可以促进非辐射衰变产生热量。因此,开发具有D-A结构和共轭刚性平面骨架的有机小分子对高效地将太阳能转化为热能用于高性能的水-电联产器件至关重要。

图1.水电联产器件示意图

二苯并[f,h]喹恶啉和蒽醌是常用的吸电子基团,它们具有平面性、高共轭骨架和强吸电子能力,常被用于合成红光有机发光材料。然而,要构建吸收光谱宽、禁带窄的有机光热材料,其吸电子能力和共轭刚性平面骨架是不够的。为了进一步增加受体吸电子能力和分子共轭刚性平面骨架,作者将二苯并[f,h]喹恶啉和蒽醌单元融合在一起,得到了具有共轭刚性平面骨架的新型强吸电子基团二苯并[a,c]萘醌[2,3-h]酚嗪-8,13-二酮(PDN),进一步以PDN为受体,以双二苯胺(DPA)为给体,合成了具有D-A结构和共轭刚性平面骨架的新型有机小分子DDPA-PDN。DDPA-PDN在固体状态下具有300 ~ 850 nm的宽吸收光谱,有助于高效的太阳能捕获。正如预期的那样,在655 nm激光照射下,DDPA-PDN表现出了高效的光热转换,转换效率高达56.23%,如图2和图3所示。

图 2. DDPA-PDN分子结构示意图、理论计算及光谱分析
图 3. DDPA-PDN分子光热特性

在1 kW m−2太阳辐照下,该D-A结构有机光热材料作为太阳能蒸发体进行了测试,其蒸发速率和效率分别为1.07 kg m−2 h−1和73.98%,如图4所示。考虑到DDPA-PDN分子的高效太阳能捕获,将其作为太阳能捕获材料涂覆在热电器件表面。由此产生的光热发电装置,在5 kW m−2的阳光照射下漂浮在水面上,产生了高达148 mV的电压,可以驱动微型风扇的旋转。

图4. DDPA-PDN 分子蒸发水特性

最后,为了最大限度地利用太阳能,将负载DDPA – PDN的纤维素纸粘在热电器件上,构建了一种可同时进行水分蒸发和热电发电的多功能装置。随着界面水在负载DDPA – PDN的纤维素纸内蒸发,这个一体化器件实现了水蒸发率0.89 kg m−2 h−1和输出稳定的电压43 mV,如图5所示。

图 5. DDPA-PDN分子水电联产一体化器件特性

论文的通讯作者为吉林大学李成龙副教授和东北林业大学贾涛副教授,博士研究生崔园园和硕士研究生柳晶为论文的共同第一作者。最后特别感谢吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室王悦教授的悉心指导!该工作得到了国家自然科学基金、黑龙江省留学回国人员择优资助和中国博士后基金研究经费的资助。

论文信息:

Donor–Acceptor-Type Organic-Small-Molecule-Based Solar-Energy-Absorbing Material for Highly Efficient Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation

Yuanyuan Cui, Jing Liu, Zhiqiang Li, Mingyang Ji, Meng Zhao, Meihua Shen, Xue Han, Tao Jia*, Chenglong Li*, Yue Wang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106247

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106247