光熱轉(zhuǎn)換
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
光熱轉(zhuǎn)換的實(shí)例教程
當(dāng)前，光熱轉(zhuǎn)換在癌癥診療、海水淡化等領(lǐng)域被廣泛研究，引起了高度的關(guān)注。開(kāi)發(fā)新型光熱轉(zhuǎn)換材料是這一研究領(lǐng)域的關(guān)鍵。有機(jī)光熱材料大多具有長(zhǎng)的共軛結(jié)構(gòu)，使其吸收波長(zhǎng)能夠擴(kuò)展到紅外區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光中占比近50%的紅外光有效利用。而長(zhǎng)的共軛結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)剛性高、難加工等問(wèn)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(jī)溶劑，不可避免地會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。
為了解決這一問(wèn)題，來(lái)自中國(guó)人民大學(xué)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(guò)后摻雜的形式將碘導(dǎo)入共軛結(jié)構(gòu)，賦予原本乳白色的聚異戊二烯以黑色的性質(zhì)，使其具有光熱轉(zhuǎn)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(guò)160℃。此外，他們借助多維數(shù)字打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一種能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能的TPI護(hù)膝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TPI的可定制化加工和黑化，為個(gè)性化光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(fā)現(xiàn)在碘摻雜處理后的TPI表面具有陽(yáng)離子自由基。基于這一發(fā)現(xiàn)，該課題組發(fā)展了一種利用陽(yáng)離子自由基作為引發(fā)劑，在黑化TPI表面引發(fā)熱敏型異丙基丙烯酰胺（NIPAM）聚合的方法。不同于傳統(tǒng)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(jiǎn)單，不需要特殊的催化劑也無(wú)需嚴(yán)格的除氧過(guò)程。而且，黑化TPI的光熱轉(zhuǎn)換可以調(diào)節(jié)碘的光控釋放，從而殺死細(xì)菌。光熱轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的溫度變化也會(huì)引發(fā)PNIPAM鏈構(gòu)象的變化，促進(jìn)了死亡細(xì)菌的清除。基于這種新型表面接枝方法與材料本身優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，研究者成功構(gòu)建了光熱轉(zhuǎn)換觸發(fā)的“殺菌釋菌”系統(tǒng)。
展開(kāi) 然而，如圖5b所示，經(jīng)過(guò)10個(gè)循環(huán)的加熱-冷卻過(guò)程后，光熱轉(zhuǎn)換能力幾乎沒(méi)有任何變化，重要的是，即使累計(jì)使用196小時(shí)，它也幾乎保持了最初的光熱轉(zhuǎn)換性能（圖5c），進(jìn)一步證實(shí)了本文所用克酮酸菁類(lèi)染料的高光熱穩(wěn)定性。
圖5 NIR819光熱穩(wěn)定性測(cè)試圖
作者通過(guò)利用克酮酸菁類(lèi)染料在近紅外LED光源照射下，通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換進(jìn)行間壁式熱交換的原理，開(kāi)發(fā)了一種通用的近紅外光誘導(dǎo)RDRP策略。成功地進(jìn)行了MMA、GMA、MA、St、DMA等單體的“活性”聚合。該策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：（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(duì)聚合物的污染問(wèn)題；（2）聚合溫度不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)近紅外光源的功率來(lái)控制，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)近紅外染料的濃度來(lái)控制，使其適用的聚合物反應(yīng)溫度范圍寬；（3）近紅外染料具有很高的光熱穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換效率：NIR819為83.2%，NIR792為87.4%，NIR799為84.5%，可重復(fù)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(qiáng)的特點(diǎn)，該策略具有傳統(tǒng)加熱（如電加熱夾套）無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)加熱和近紅外光照射的協(xié)同效應(yīng)極大地強(qiáng)化聚合反應(yīng)速率。因此，該策略不僅為光熱轉(zhuǎn)換的綠色可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了新思路，而且在大規(guī)模應(yīng)用中具有巨大的潛力。
論文第一作者為蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部碩士生高群，通訊作者為蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部張麗芬教授和程振平教授。詳見(jiàn): Qun Gao, Kai Tu, Haihui Li, Lifen Zhang, Zhenping Cheng.
展開(kāi) 如圖3所示，當(dāng)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(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)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(zhuǎn)換；B. TPA-TPA-O6粉末紅外熱像圖；C. 已報(bào)道的有機(jī)光熱材料的光熱性能對(duì)比圖。
如圖4所示，TPA-TPA-O6 展現(xiàn)出最為優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能及良好的光熱穩(wěn)定性。因此，作者將TPA-TPA-O6應(yīng)用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建。TPA-TPA-O6粉末在300~2000 nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出極寬的光譜響應(yīng)，可有效地促進(jìn)太陽(yáng)光收集。在1個(gè)太陽(yáng)光下照射下，獲得了高達(dá)89.41%的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)效率和1.293 kg m–2 h–1的水蒸發(fā)速率。最后，作者利用該體系對(duì)海水進(jìn)行了淡化實(shí)驗(yàn)，展示了該材料體系在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖4. 基于TPA-TPA-O6的光熱性能表征及太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)系統(tǒng)的性能圖
該工作中，李遠(yuǎn)課題組報(bào)道了一類(lèi)基于“芳香化硝酸自由基”的多自由基半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)策略，這類(lèi)分子具有原料廉價(jià)、合成便捷、結(jié)構(gòu)可調(diào)控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)在有機(jī)光電、磁學(xué)、儲(chǔ)能、自旋電子學(xué)、生物診療和光熱轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用潛力。
展開(kāi) 來(lái)源 | Small
01
背景介紹
相變材料(Phase Change Materials, PCMs)作為能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換材料，不僅可以在相變過(guò)程中吸收和釋放潛熱，還可以通過(guò)可控的潛熱吸收和釋放來(lái)調(diào)節(jié)目標(biāo)物周?chē)臏囟取Ｒ虼耍琍CM在熱管理和溫度調(diào)節(jié)方面具有潛在的應(yīng)用前景。雖然PCM在熱能利用和熱管理領(lǐng)域具有很大的潛力，但大多數(shù)PCM光熱轉(zhuǎn)換性能較差，限制了PCM的太陽(yáng)能利用效率。因此，探索具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的相變材料至關(guān)重要。
研究人員在 PCM中加入了光熱轉(zhuǎn)換材料來(lái)增強(qiáng)其吸收陽(yáng)光的性能，以獲得良好的光熱相變儲(chǔ)能性能。鎵銦合金(EGaIn)作為一種液態(tài)金屬，因其流動(dòng)性強(qiáng)、電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好，在柔性可穿戴電子產(chǎn)品、熱界面材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，基于EGaIn的光熱相變儲(chǔ)能材料的報(bào)道很少，主要是由于EGaIn的儲(chǔ)能性能較低。因此，同時(shí)提高EGaIn的光熱轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能性能，對(duì)于拓寬EGaIn在光熱相變儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義。在之前的工作中，硬脂酸-鎵銦合金（STA-EGaln）TA-EGaIn作為一種有機(jī)相變儲(chǔ)能材料，由于相變過(guò)程中固有的液體泄漏，其大規(guī)模應(yīng)用受到限制。因此，克服光熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的泄漏是至關(guān)重要的。
多孔支架與 PCM相結(jié)合是防止相變過(guò)程中泄漏的有效方法。在之前發(fā)表的研究中，多孔支架在防止相變材料泄漏方面取得了優(yōu)異的效果。但這些多孔支架的不可生物降解性會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，因此許多研究人員將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了基于生物質(zhì)材料的支架。然而，有機(jī)PCMs的導(dǎo)熱性差也極大地限制了纖維素/有機(jī)PCMs復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。
展開(kāi) 論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-018-0260-7
該論文系統(tǒng)地總結(jié)了太陽(yáng)能光熱界面蒸發(fā)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，全面地介紹了太陽(yáng)能光熱界面蒸發(fā)系統(tǒng)各核心構(gòu)成單元的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，深入分析了影響太陽(yáng)能光熱界面蒸發(fā)性能的關(guān)鍵因素，探討了該技術(shù)在太陽(yáng)能向熱能、電能、機(jī)械能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，展望了該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向、面臨的挑戰(zhàn)以及應(yīng)對(duì)措施。
隨著傳統(tǒng)化石能源的日益消耗和生態(tài)環(huán)境壓力的不斷增加，加快對(duì)可再生能源太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。光熱轉(zhuǎn)換是一種清潔、高效的太陽(yáng)能利用方式。其中，光熱蒸發(fā)是太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域廣泛涉及的一個(gè)非常重要的物理過(guò)程。針對(duì)傳統(tǒng)基于體加熱的蒸發(fā)系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換效率低、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，新型基于局域光熱轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能光熱界面蒸發(fā)設(shè)計(jì)將太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換集中在蒸發(fā)界面，通過(guò)在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料、界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)絕熱設(shè)計(jì)等方面的協(xié)同創(chuàng)新，大幅提升了系統(tǒng)的蒸發(fā)效率和響應(yīng)速率。當(dāng)前，太陽(yáng)能光熱界面蒸發(fā)技術(shù)在高性能海水淡化、蒸汽殺菌、污水凈化等眾多領(lǐng)域獲得了初步應(yīng)用，并且推動(dòng)了太陽(yáng)能光熱技術(shù)小型化、便攜式的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)促進(jìn)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用具有重要價(jià)值。
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光熱轉(zhuǎn)換的最新內(nèi)容
同樣，用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的選擇性吸收涂層，其光譜發(fā)射率特性更是決定光熱轉(zhuǎn)換效率的核心指標(biāo)。
工業(yè)檢測(cè)方面，發(fā)射率測(cè)量為紅外熱成像精確測(cè)溫提供了基礎(chǔ)保障。在熱沖壓工藝、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)、電子元器件熱管理等場(chǎng)景中，由于被測(cè)物體表面發(fā)射率的變化，往往導(dǎo)致測(cè)溫偏差。通過(guò)動(dòng)態(tài)發(fā)射率補(bǔ)償技術(shù)，可以將測(cè)溫系統(tǒng)誤差穩(wěn)定控制在±1.5℃以?xún)?nèi)，精度提升60%以上。
太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換和輻射制冷作為一對(duì)孿生應(yīng)用，在各種場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)調(diào)控的便利性和節(jié)能性應(yīng)當(dāng)被充分重視。提出“動(dòng)態(tài)雙面神”這一新概念，呼吁研究者更深入地關(guān)注這類(lèi)應(yīng)用，以更好迎接智能化時(shí)代的挑戰(zhàn)。
可拉伸janus型電磁屏蔽織物的光熱轉(zhuǎn)換性能
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03
新興光熱調(diào)節(jié)材料與結(jié)構(gòu)
由于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的快速發(fā)展，各種光熱調(diào)控材料已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，作者基于不同的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理，在綜述中匯總了各種光熱調(diào)控材料，包括金屬材料、半導(dǎo)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(lèi)光熱轉(zhuǎn)換材料也在光熱處理、海水淡化、發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
在另一種情況下，在PCM中引入了磁響應(yīng)光熱網(wǎng)格，并開(kāi)發(fā)了磁驅(qū)動(dòng)的直接光熱轉(zhuǎn)換裝置(圖20b)。具體來(lái)說(shuō)，在磁場(chǎng)作用下，網(wǎng)格可以動(dòng)態(tài)移動(dòng)，加速充電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光熱轉(zhuǎn)換。除了直接的太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換外，通過(guò)集成PCM和熱電模塊，太陽(yáng)能-熱-電能量轉(zhuǎn)換途徑也很有前景。例如，將太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的相變蓄熱材料和相變蓄冷材料應(yīng)用于熱電系統(tǒng)的熱/冷側(cè)，實(shí)現(xiàn)光熱-電轉(zhuǎn)換(圖20c)。
在另一種情況下，在PCM中引入了磁響應(yīng)光熱網(wǎng)格，并開(kāi)發(fā)了磁驅(qū)動(dòng)的直接光熱轉(zhuǎn)換裝置(圖20b)。具體來(lái)說(shuō)，在磁場(chǎng)作用下，網(wǎng)格可以動(dòng)態(tài)移動(dòng)，加速充電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光熱轉(zhuǎn)換。除了直接的太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換外，通過(guò)集成PCM和熱電模塊，太陽(yáng)能-熱-電能量轉(zhuǎn)換途徑也很有前景。例如，將太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的相變蓄熱材料和相變蓄冷材料應(yīng)用于熱電系統(tǒng)的熱/冷側(cè)，實(shí)現(xiàn)光熱-電轉(zhuǎn)換(圖20c)。
雖然PCM在熱能利用和熱管理領(lǐng)域具有很大的潛力，但大多數(shù)PCM光熱轉(zhuǎn)換性能較差，限制了PCM的太陽(yáng)能利用效率。因此，探索具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的相變材料至關(guān)重要。
研究人員在 PCM中加入了光熱轉(zhuǎn)換材料來(lái)增強(qiáng)其吸收陽(yáng)光的性能，以獲得良好的光熱相變儲(chǔ)能性能。鎵銦合金(EGaIn)作為一種液態(tài)金屬，因其流動(dòng)性強(qiáng)、電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好，在柔性可穿戴電子產(chǎn)品、熱界面材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
同時(shí)，Janus織物具有優(yōu)越的光熱轉(zhuǎn)換效率（13%）和光熱加熱性能，在一次陽(yáng)光照射下達(dá)到14.2℃。由于堅(jiān)固的基材和輕便的涂層，該織物具有良好的耐磨性（即機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、滲透性），使該織物能夠更好地實(shí)際應(yīng)用。高效耐用的Janus面料在未來(lái)全天候個(gè)人熱管理的織物研發(fā)中具有巨大潛力。
在太陽(yáng)光照射下，CNT-PP-PVA復(fù)合海綿可以進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)，再冷凝為可飲用的淡水。同時(shí)，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)鹽離子在海綿內(nèi)部離子通道中的定向流動(dòng)產(chǎn)生流動(dòng)電流。
如圖3所示，當(dāng)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(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)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(zhuǎn)換；B. TPA-TPA-O6粉末紅外熱像圖；C.
