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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用

2024-05-10 來源：高分子科技

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

超疏水光熱材料(SSTMs)具有協同拒水性和光熱轉換的特性，在抗冰除冰、海水淡化、原油收集、光驅動執行器、熱量管理以及生物醫用領域具有廣闊的應用前景。SSTMs的典型優點是即使在水的環境下仍能實現穩定的光熱轉換和持續的熱能供應，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，但其工作機制、制備策略及前沿應用尚未進行系統的總結和探討。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關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-熱轉換材料及其在海水淡化、能量管理及智能驅動等方面的應用研究。近日，該團隊受邀在Advanced Materials 上發表了題為“Superhydrophobic Solar-to-Thermal Materials Toward Cutting-Edge Applications”的綜述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311453）。該綜述系統總結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(半導體)和分子熱振動(碳和有機聚合物材料)。為了提高光熱轉換效率，光熱性能材料應滿足高寬帶(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構與原理（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缺點被詳細總結在表中。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）、光驅動執行器（圖14）、可穿戴熱管理（圖15）、室內熱管理（圖16）以及生物醫用（圖17）領域的最新進展；并總結了光熱轉換和超疏水功能結構在各個領域發揮的協同作用，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，并對未來的發展方向進行了展望。希望SSTMs的典型特征能夠激發新的靈感，吸引更多志同道合的研究者。