光熱轉換材料
關注創建者：射線伽馬 創建時間：2019-01-07
光熱轉換材料的實例教程
當前，光熱轉換在癌癥診療、海水淡化等領域被廣泛研究，引起了高度的關注。開發新型光熱轉換材料是這一研究領域的關鍵。有機光熱材料大多具有長的共軛結構，使其吸收波長能夠擴展到紅外區域，可實現對太陽光中占比近50%的紅外光有效利用。而長的共軛結構會帶來剛性高、難加工等問題，如，其難以同熱塑性材料一樣能夠被熱加工；即便部分材料能夠被溶解加工，也需要大量特殊有機溶劑，不可避免地會對環境造成影響。
為了解決這一問題，來自中國人民大學的王亞培課題組提出用熱塑性能極佳的橡膠，即反式聚異戊二烯（Trans-1, 4-polyisoprene, TPI）作為基材，通過后摻雜的形式將碘導入共軛結構，賦予原本乳白色的聚異戊二烯以黑色的性質，使其具有光熱轉換性能。在紅外光照射下，碘摻雜的TPI可以在0.9W的光功率下，升溫超過160℃。此外，他們借助多維數字打印技術，設計并制造了一種能將太陽能轉換成熱能的TPI護膝，實現了對TPI的可定制化加工和黑化，為個性化光熱轉換產品制造提供了新的解決辦法。（DOI: 10.1002/chem.201704715）
前一工作中，研究者發現在碘摻雜處理后的TPI表面具有陽離子自由基?；谶@一發現，該課題組發展了一種利用陽離子自由基作為引發劑，在黑化TPI表面引發熱敏型異丙基丙烯酰胺（NIPAM）聚合的方法。不同于傳統的ATRP或RAFT方法，這種方法僅需一步碘蒸氣處理，新穎巧妙、操作簡單，不需要特殊的催化劑也無需嚴格的除氧過程。而且，黑化TPI的光熱轉換可以調節碘的光控釋放，從而殺死細菌。光熱轉換導致的溫度變化也會引發PNIPAM鏈構象的變化，促進了死亡細菌的清除?；谶@種新型表面接枝方法與材料本身優異的光熱轉換性能，研究者成功構建了光熱轉換觸發的“殺菌釋菌”系統。
展開 如圖3所示，當在功率為1.0 W cm–2的808 nm激光器照射下，TPA-TPA-O6粉末的溫度迅速升至約250 °C，顯示了優異的光熱轉換性能，優于文獻報道的有機光熱材料。
圖3. A. TPA-TPA-O6粉末在不同功率激光照射下的光熱轉換；B. TPA-TPA-O6粉末紅外熱像圖；C. 已報道的有機光熱材料的光熱性能對比圖。
如圖4所示，TPA-TPA-O6 展現出最為優異的光熱轉換性能及良好的光熱穩定性。因此，作者將TPA-TPA-O6應用于太陽能驅動的界面水蒸發系統的構建。TPA-TPA-O6粉末在300~2000 nm范圍內表現出極寬的光譜響應，可有效地促進太陽光收集。在1個太陽光下照射下，獲得了高達89.41%的太陽能驅動水蒸發效率和1.293 kg m–2 h–1的水蒸發速率。最后，作者利用該體系對海水進行了淡化實驗，展示了該材料體系在光熱轉換領域的實際應用潛力。
圖4. 基于TPA-TPA-O6的光熱性能表征及太陽能驅動的水蒸發系統的性能圖
該工作中，李遠課題組報道了一類基于“芳香化硝酸自由基”的多自由基半導體材料設計策略，這類分子具有原料廉價、合成便捷、結構可調控性強等優點，未來在有機光電、磁學、儲能、自旋電子學、生物診療和光熱轉換等領域有良好的應用潛力。
展開 同濟大學楊修春課題組將氮化鈦納米顆粒沉積在經過碳化處理的木塊上, 得到一種新型 的雙層太陽能蒸汽發生材料. TiN納米顆粒具有比以往報道過的光熱轉換材料(如等離子體金屬、碳基材料和半導體納米材料)更好的穩 定性、更經濟的價格、更低的毒性、更寬和更強的光吸收等多重優點.
圖1 太陽能蒸汽發生器示意圖
TiN納米顆粒的沉積量以及基底的厚度和類型對水的蒸發速率和 太陽能-蒸汽轉換效率有重要影響. 在模擬太陽光強度為1 kW m?2下, 該材料具有92.5%的太陽能-蒸汽轉換效率, 這是已知的木基光熱轉 換材料中的最高效率. 此外, 該材料具有良好的可重復利用性.
本工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9353-5
展開 因此，作者立足于建立在不同光譜區域中用于太陽能加熱和被動冷卻的選擇性吸收器/發射器之間的整體關系，在綜述中總結了光熱轉換和調控的基本原理。
圖1 被動輻射冷卻原理圖
02
高效光熱調節的基本標準
合理設計具有優異光熱調控性能的材料需要建立若干基本準則，從該角度出發，作者在綜述中明確了光學和熱學性質對于設計理想的光熱轉換材料和結構的至關重要性。其中，光學特性包括吸收系數、反射率、透射率等參數。因此為了實現優異的光熱調控，必須對材料的吸收光譜進行調控以吸收入射太陽光。此外，系統中的熱流，即對流、傳導和輻射，也是需要考慮的一個重要方面。
圖2 (a)分子振動和(b)聲子極化共振的紅外發射示意圖; (c)對于不同k參數，折射率分布n (z)作為深度的函數; (d)三角形漸變折射率圖。
03
新興光熱調節材料與結構
由于太陽能光熱轉換的快速發展，各種光熱調控材料已經被開發出來，作者基于不同的光熱轉換機理，在綜述中匯總了各種光熱調控材料，包括金屬材料、半導體、碳基材料、新興的碳化物/氮化物和聚合物。除上述材料外，超分子材料(卟啉)、陶瓷材料(TiN和ZrO2)、 MOFs等各類光熱轉換材料也在光熱處理、海水淡化、發電等領域得到了廣泛的應用。另外，從被動輻射制冷角度，設計材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強烈發射功能，目前已報道的輻射制冷材料可分為四類：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。
圖3 納米纖維膜在光熱調控中的應用。
展開 然而，如圖5b所示，經過10個循環的加熱-冷卻過程后，光熱轉換能力幾乎沒有任何變化，重要的是，即使累計使用196小時，它也幾乎保持了最初的光熱轉換性能（圖5c），進一步證實了本文所用克酮酸菁類染料的高光熱穩定性。
圖5 NIR819光熱穩定性測試圖
作者通過利用克酮酸菁類染料在近紅外LED光源照射下，通過光熱轉換進行間壁式熱交換的原理，開發了一種通用的近紅外光誘導RDRP策略。成功地進行了MMA、GMA、MA、St、DMA等單體的“活性”聚合。該策略具有以下優點：（1）完全避免了近紅外染料與聚合組分的混合，從而克服了近紅外染料對聚合物的污染問題；（2）聚合溫度不僅可以通過調節近紅外光源的功率來控制，還可以通過調節近紅外染料的濃度來控制，使其適用的聚合物反應溫度范圍寬；（3）近紅外染料具有很高的光熱穩定性和光熱轉換效率：NIR819為83.2%，NIR792為87.4%，NIR799為84.5%，可重復使用，可大大降低聚合物的合成成本；（4）利用近紅外光的穿透能力強的特點，該策略具有傳統加熱（如電加熱夾套）無法比擬的優勢，可以通過加熱和近紅外光照射的協同效應極大地強化聚合反應速率。因此，該策略不僅為光熱轉換的綠色可持續發展開辟了新思路，而且在大規模應用中具有巨大的潛力。
論文第一作者為蘇州大學材料與化學化工學部碩士生高群，通訊作者為蘇州大學材料與化學化工學部張麗芬教授和程振平教授。詳見: Qun Gao, Kai Tu, Haihui Li, Lifen Zhang, Zhenping Cheng.
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本篇文章介紹了考慮電感器部分飽和磁性材料的仿真工作流程，該材料用于開關模式電源（升壓轉換器）。此工作流程包括印刷電路板 （PCB） 和功率電感器的 3D 模型。
背景
開關模式電源（如 DC-DC 轉換器）的 3D EM 和電路協同仿真涉及 3D 模型和電路模型。3D 模型使用CST 微波工作室（CST MWS） 和組件（通常采用 SPICE 格式）與電路原理圖 CST Design
除上述材料外，超分子材料(卟啉)、陶瓷材料(TiN和ZrO2)、 MOFs等各類光熱轉換材料也在光熱處理、海水淡化、發電等領域得到了廣泛的應用。另外，從被動輻射制冷角度，設計材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強烈發射功能，目前已報道的輻射制冷材料可分為四類：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。
具有高焓值的有機相變材料（PCM）是理想的儲熱和放熱材料，有望促進熱能利用，緩解能源短缺問題。然而，普通有機相變材料固有的吸光性差、導熱性差、形狀穩定性弱等缺點嚴重制約了太陽能的吸收、轉化和利用。近日，北京化工大學李曉鋒教授、于中振教授團隊通過在 2800 °C 下進行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設計出了由預氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO
因此，探索具有優異光熱轉換性能的相變材料至關重要。
研究人員在 PCM中加入了光熱轉換材料來增強其吸收陽光的性能，以獲得良好的光熱相變儲能性能。鎵銦合金(EGaIn)作為一種液態金屬，因其流動性強、電導率高、導熱性好，在柔性可穿戴電子產品、熱界面材料等領域得到了廣泛的應用。到目前為止，基于EGaIn的光熱相變儲能材料的報道很少，主要是由于EGaIn的儲能性能較低。
最后，作者利用該體系對海水進行了淡化實驗，展示了該材料體系在光熱轉換領域的實際應用潛力。
圖4.
近年來，太陽能驅動的界面水蒸發已成為一種用于高效、清潔水生產的創新和可持續發展技術（Nature Energy 3 (2018) 1031-1041），但是目前太陽能界面蒸發器還存在蒸發速率低、價格昂貴、光熱轉換材料的多孔結構作用機制不明確等問題。
蓋世汽車訊 在進行研究時，科學家們通常會先精心選擇研究主題，然后再設計適當的解決計劃，并執行該計劃。然而，在這一過程中，可能會有意外的發現。據外媒報道，Mercouri Kanatzidis教授不僅是西北大學（Northwestern University）的教授，而且在美國能源部的阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory
并且復合相變材料表現出良好的防漏性能和優異的光熱轉換。復合相變材料的抗壓強度可提高至 1.602 MPa。結果表明，該策略可以有效地用于開發具有改進的綜合熱性能和高光熱轉換的新型復合相變材料。
光熱治療法是將具有較高光熱轉換效率的材料注射入人體內部，利用靶向性識別技術聚集在腫瘤組織附近，并在外部光源的照射下將光能轉化為熱能來殺死癌細胞的一種治療方法。光動力治療用特定波長照射腫瘤部位，使選擇性聚集在腫瘤組織的光敏藥物活化，引發光化學反應或熱效應破壞腫瘤。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00903
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