能夠吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱量的光熱納米纖維,廣泛應(yīng)用于太陽能蒸汽發(fā)電、智能服裝、熱管理和癌癥治療等領(lǐng)域。然而,這一領(lǐng)域的最新發(fā)展并不能滿足實際應(yīng)用的需要,主要是由于所開發(fā)的纖維的光熱效率不足,其根本原因在于光熱分子工作機理與纖維性質(zhì)的不相容性。已經(jīng)證明,分子運動可以通過非輻射衰變途徑促進能量耗散,從而促進光吸收時的熱膨脹。然而,在固體纖維中加入光熱分子后,分子運動不可避免地在一定程度上受到大分子間空間位阻的限制,從而降低了光熱效應(yīng)。因此,放大纖維中的分子運動以提高其光熱效率是一項重要而富有挑戰(zhàn)性的工作。

最近,唐本忠院士和深圳大學王東副教授在《Angewandte?Chemie?International Edition》上發(fā)表了題為“Reverse Thinking of Aggregation-Induced Emission Principle:?Amplifying Molecular Motions to Boost Photothermal Efficiency?of Nanofibers”的通訊,通過對聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)原理的逆向思考,采用同軸靜電紡絲法,以AIE活性分子的橄欖油溶液為核心,以PVDF-HFP為殼層,制備了核殼型納米纖維?;钚苑肿拥姆肿尤芙鉅顟B(tài)使其在光激發(fā)下能夠在納米纖維中自由旋轉(zhuǎn)和/或振動,從而顯著提高了非輻射能量耗散的比例,光熱轉(zhuǎn)換效率可達22.36%,是非核殼型納米纖維的26倍。這種核殼纖維可用于光熱紡織品和由自然光誘導(dǎo)的太陽能蒸汽發(fā)電。

唐本忠院士/王東副教授?《Angew》:光熱轉(zhuǎn)換效率22.36%!神奇的AIE核殼納米纖維

聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯) (PVDF-HFP)具有良好的穩(wěn)定性和可紡性,是一種應(yīng)用廣泛的電紡材料。在具有精確的核-殼結(jié)構(gòu)的纖維中,AIEgen/油溶液被包裹在PVDF-HFP外殼層中,以避免泄漏(圖1D)。AIE活性分子BPBBT被用作光熱轉(zhuǎn)換分子,因為其在油相中具有優(yōu)越的旋轉(zhuǎn)和/或振動(圖1D)。

唐本忠院士/王東副教授?《Angew》:光熱轉(zhuǎn)換效率22.36%!神奇的AIE核殼納米纖維
圖1 (A) 用Jablonski圖說明了纖維中AIEgen的激發(fā)態(tài)能量耗散。(B) 同軸靜電紡絲裝置示意圖。(C) 核殼針的照片圖像,油相(深綠色)在針尖被聚合物相(無色)包裹。(D) 核-殼纖維的結(jié)構(gòu)示意圖及BPBBT在油相中的分子運動。

 

BPBBT在纖維中的分子運動被聚合物鏈顯著抑制,因此量子產(chǎn)率(QY)高達高達2.9%,而BPBBT在油溶液和核殼纖維CS-3(核相泵送速率為0.9mL/h)中分子運動被激活,量子產(chǎn)率僅為0.2%(圖2B)。在功率密度為1kW m-2的模擬太陽光照射下,BPBBT/油和CS-3的溫度分別達到61.1和56.1℃(圖2C),比BPBBT納米纖維和粉體的高。證明了BPBBT在光熱轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵作用。

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圖2 (A) BPBBT粉末(綠線)、BPBBT纖維(紅線)、BPBBT/油溶液(藍線)和BPBBT CS-3(黑線)的吸收光譜。(B) BPBBT納米纖維、BPBBT/油溶液和BPBBT CS-3的相對QY。(C) 顯示了BPBBT粉末、BPBBT纖維、BPBBT/油溶液和BPBBT CS-3在1次太陽照射下的溫度變化曲線。配色方案適用于圖(A)和(C)。

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圖3 (A) CS-3核殼纖維墊的(左)照片,(中)TEM圖像,和(右)紅外圖像。(B) 研究了BPBBT/PVDF-HFP纖維墊和核殼纖維墊在1 次太陽照射下的溫度變化和(C)光熱轉(zhuǎn)換效率。(D) 一次太陽照射后CS-3墊子溫度變化的曲線圖。

 

將核相泵送速率分別設(shè)定為0.3mL/h和0.6mL/h,得到核殼纖維CS-1和CS-2。在陽光照射120s內(nèi),BPBBT納米纖維、CS-1、CS-2和CS-3纖維墊的溫度分別達到最高值40.4、46.8、50.3和56.1℃。它們的光熱轉(zhuǎn)換效率分別為0.86%、3.54%、10.15%和22.36%(圖3C)。CS-3的光熱轉(zhuǎn)換效率是BPBBT納米纖維的26倍。經(jīng)過9次輻照后,溫度沒有明顯變化,表明核殼型纖維具有較高的穩(wěn)定性。

核殼纖維在光熱紡織和太陽能蒸汽發(fā)電中的應(yīng)用。志愿者在自然光照下,在膝蓋上覆蓋一個核殼纖維片1分鐘后,貼片溫度達到51.2℃。即使環(huán)境溫度設(shè)定為0℃,在自然光的照射下,BPBBT CS-3的溫度也達到了約24℃(圖4C)。對于太陽能蒸汽發(fā)電,將BPBBT CS-3放入NaBH4溶液中,H2氣泡被困在CS-3中,并將其擴展為3D結(jié)構(gòu)。用泡沫包裹3D CS-3,然后將其放入含有3.5 wt%NaCl水溶液的燒杯中。

在1次太陽照射下,3D CS-3的溫度達到40℃。蒸發(fā)率在輻照40min后達到恒定值(圖4E),達到1.52 kg m-2?h-1。而且蒸發(fā)速率在8h內(nèi)保持不變,有利于白天持續(xù)穩(wěn)定的操作(圖4F)。

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圖4 ?在自然陽光下為志愿者膝蓋加熱的光熱貼片的(A)光學和(B)紅外圖像。(C) BPBBT CS-3在0℃和25℃環(huán)境溫度下,在自然光照下的溫度變化。(D) 太陽能蒸汽發(fā)電系統(tǒng)照片。(E) 研究了BPBBT CS-3在不同光照強度下的水分質(zhì)量損失和(F)蒸發(fā)速率。

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亮點小結(jié)

綜上所述,采用同軸靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建了以AIEgen/油溶液為芯,PVDF-HFP為殼的核-殼纖維。這種核-殼結(jié)構(gòu)使AIEgens在纖維中具有足夠的分子間運動,從而促進了非輻射能量的耗散。光熱研究表明,核殼型光纖的光熱轉(zhuǎn)換效率可達22.36%,是非核殼型光纖的26倍。在自然光照下,皮膚上的BPBBT CS-3可以加熱到51℃,說明它可以應(yīng)用光熱貼片和/或衣物。在1個太陽光照射下,蒸發(fā)率達到1.52 kg m-2?h-1。本研究為下一代綠色、零碳排放的光熱材料提供了藍圖。

 

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008292

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