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《唐本忠院士/王东副教授?《Angew》：光热转换效率22.36%！神奇的AIE核壳纳米纤维》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-08-12

  • 能够吸收光能并将其转化为热量的光热纳米纤维，广泛应用于太阳能蒸汽发电、智能服装、热管理和癌症治疗等领域。然而，这一领域的最新发展并不能满足实际应用的需要，主要是由于所开发的纤维的光热效率不足，其根本原因在于光热分子工作机理与纤维性质的不相容性。已经证明，分子运动可以通过非辐射衰变途径促进能量耗散，从而促进光吸收时的热膨胀。然而，在固体纤维中加入光热分子后，分子运动不可避免地在一定程度上受到大分子间空间位阻的限制，从而降低了光热效应。因此，放大纤维中的分子运动以提高其光热效率是一项重要而富有挑战性的工作。

    最近，唐本忠院士和深圳大学王东副教授在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Reverse Thinking of Aggregation-Induced Emission Principle: Amplifying Molecular Motions to Boost Photothermal Efficiency of Nanofibers”的通讯，通过对聚集诱导发射（AIE）原理的逆向思考，采用同轴静电纺丝法，以AIE活性分子的橄榄油溶液为核心，以PVDF-HFP为壳层，制备了核壳型纳米纤维。活性分子的分子溶解状态使其在光激发下能够在纳米纤维中自由旋转和/或振动，从而显著提高了非辐射能量耗散的比例，光热转换效率可达22.36%，是非核壳型纳米纤维的26倍。这种核壳纤维可用于光热纺织品和由自然光诱导的太阳能蒸汽发电。

    图文导读

    聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) （PVDF-HFP）具有良好的稳定性和可纺性，是一种应用广泛的电纺材料。在具有精确的核-壳结构的纤维中，AIEgen/油溶液被包裹在PVDF-HFP外壳层中，以避免泄漏（图1D）。AIE活性分子BPBBT被用作光热转换分子，因为其在油相中具有优越的旋转和/或振动（图1D）。

    图1 （A） 用Jablonski图说明了纤维中AIEgen的激发态能量耗散。（B） 同轴静电纺丝装置示意图。（C） 核壳针的照片图像，油相（深绿色）在针尖被聚合物相（无色）包裹。（D） 核-壳纤维的结构示意图及BPBBT在油相中的分子运动。

    BPBBT在纤维中的分子运动被聚合物链显著抑制，因此量子产率（QY）高达高达2.9%，而BPBBT在油溶液和核壳纤维CS-3（核相泵送速率为0.9mL/h）中分子运动被激活，量子产率仅为0.2%（图2B）。在功率密度为1kW m-2的模拟太阳光照射下，BPBBT/油和CS-3的温度分别达到61.1和56.1℃（图2C），比BPBBT纳米纤维和粉体的高。证明了BPBBT在光热转换中的关键作用。

    图2 （A） BPBBT粉末（绿线）、BPBBT纤维（红线）、BPBBT/油溶液（蓝线）和BPBBT CS-3（黑线）的吸收光谱。（B） BPBBT纳米纤维、BPBBT/油溶液和BPBBT CS-3的相对QY。（C） 显示了BPBBT粉末、BPBBT纤维、BPBBT/油溶液和BPBBT CS-3在1次太阳照射下的温度变化曲线。配色方案适用于图（A）和（C）。

    图3 （A） CS-3核壳纤维垫的（左）照片，（中）TEM图像，和（右）红外图像。（B） 研究了BPBBT/PVDF-HFP纤维垫和核壳纤维垫在1 次太阳照射下的温度变化和（C）光热转换效率。（D） 一次太阳照射后CS-3垫子温度变化的曲线图。

    将核相泵送速率分别设定为0.3mL/h和0.6mL/h，得到核壳纤维CS-1和CS-2。在阳光照射120s内，BPBBT纳米纤维、CS-1、CS-2和CS-3纤维垫的温度分别达到最高值40.4、46.8、50.3和56.1℃。它们的光热转换效率分别为0.86%、3.54%、10.15%和22.36%（图3C）。CS-3的光热转换效率是BPBBT纳米纤维的26倍。经过9次辐照后，温度没有明显变化，表明核壳型纤维具有较高的稳定性。

    核壳纤维在光热纺织和太阳能蒸汽发电中的应用。志愿者在自然光照下，在膝盖上覆盖一个核壳纤维片1分钟后，贴片温度达到51.2℃。即使环境温度设定为0℃，在自然光的照射下，BPBBT CS-3的温度也达到了约24℃（图4C）。对于太阳能蒸汽发电，将BPBBT CS-3放入NaBH4溶液中，H2气泡被困在CS-3中，并将其扩展为3D结构。用泡沫包裹3D CS-3，然后将其放入含有3.5 wt%NaCl水溶液的烧杯中。

    在1次太阳照射下，3D CS-3的温度达到40℃。蒸发率在辐照40min后达到恒定值（图4E），达到1.52 kg m-2 h-1。而且蒸发速率在8h内保持不变，有利于白天持续稳定的操作（图4F）。

    图4 在自然阳光下为志愿者膝盖加热的光热贴片的（A）光学和（B）红外图像。（C） BPBBT CS-3在0℃和25℃环境温度下，在自然光照下的温度变化。（D） 太阳能蒸汽发电系统照片。（E） 研究了BPBBT CS-3在不同光照强度下的水分质量损失和（F）蒸发速率。

    亮点小结

    综上所述，采用同轴静电纺丝技术构建了以AIEgen/油溶液为芯，PVDF-HFP为壳的核-壳纤维。这种核-壳结构使AIEgens在纤维中具有足够的分子间运动，从而促进了非辐射能量的耗散。光热研究表明，核壳型光纤的光热转换效率可达22.36%，是非核壳型光纤的26倍。在自然光照下，皮肤上的BPBBT CS-3可以加热到51℃，说明它可以应用光热贴片和/或衣物。在1个太阳光照射下，蒸发率达到1.52 kg m-2 h-1。本研究为下一代绿色、零碳排放的光热材料提供了蓝图。

    全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008292

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=576936
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