能夠吸收光能并將其轉化為熱量的光熱納米纖維,廣泛應用于太陽能蒸汽發(fā)電、智能服裝、熱管理和癌癥治療等領域。然而,這一領域的最新發(fā)展并不能滿足實際應用的需要,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的不相容性。已經證明,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。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和/或振動,從而顯著提高了非輻射能量耗散的比例,光熱轉換效率可達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的太陽能蒸汽發(fā)電。
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,是一種應用廣泛的電紡材料。在具有精確的核-殼結構的纖維中,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被用作光熱轉換分子,因為其在油相中具有優(yōu)越的旋轉和/或振動(圖1D)。
BPBBT在纖維中的分子運動被聚合物鏈顯著抑制,因此量子產率(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在光熱轉換中的關鍵作用。
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將核相泵送速率分別設定為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,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℃。它們的光熱轉換效率分別為0.86%、3.54%、10.15%和22.36%(圖3C)。CS-3的光熱轉換效率是BPBBT納米纖維的26倍。經過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結構。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內保持不變,有利于白天持續(xù)穩(wěn)定的操作(圖4F)。
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亮點小結
綜上所述,采用同軸靜電紡絲技術構建了以AIEgen/油溶液為芯,PVDF-HFP為殼的核-殼纖維。這種核-殼結構使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。
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