直接將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能是有效的太陽能利用方式之一，其應(yīng)用主要包括水蒸氣蒸發(fā)，海水淡化，室內(nèi)供暖以及光致驅(qū)動器。傳統(tǒng)的導(dǎo)電高分子例如聚吡咯、聚苯胺等具有優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)換性能、較低的熱導(dǎo)率和較高的光學(xué)穩(wěn)定性，是理想的輕質(zhì)高效光熱轉(zhuǎn)換材料。然而，目前基于導(dǎo)電高分子的光熱轉(zhuǎn)換材料因缺乏有效的太陽光捕獲手段導(dǎo)致太陽光譜利用率低從而直接限制其光熱能量轉(zhuǎn)換效率。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐航勛教授課題組利用模板法，通過可控逐層界面聚合的方式直接在多種載體上得到具有表面微結(jié)構(gòu)的多層聚吡咯納米片(每層厚度約為100nm)成功實(shí)現(xiàn)寬光譜太陽光吸收和高效太陽能光熱轉(zhuǎn)換。

由于聚吡咯納米片與載體之間彈性模量的差異，當(dāng)聚吡咯納米片層生長在載體上時，聚吡咯片層會發(fā)生形變來釋放界面能量進(jìn)而在其表面形成無規(guī)分布的褶皺等表面微結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)的增加，累積的界面能會使聚吡咯進(jìn)一步發(fā)生形變導(dǎo)致表面褶皺程度也進(jìn)一步加大并在達(dá)到10層的時候表面褶皺程度達(dá)到最大值。

得益于多層聚吡咯在聚合過程中自發(fā)生成的獨(dú)特褶皺結(jié)構(gòu)，不同角度的入射光都會在聚吡咯表面經(jīng)過多重反射后被吸收，促進(jìn)了多層聚吡咯納米片的全方位光捕捉能力。測量結(jié)果顯示，10層聚吡咯納米片的在太陽光譜范圍內(nèi)的光吸收率超過99%；在1KW/m2太陽光的照射下的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.33%，超過了之前所報(bào)道的其他無機(jī)/有機(jī)光熱能量材料。

由于聚吡咯與載體以及聚吡咯片層之間具有很強(qiáng)的氫鍵相互作用，同時，聚吡咯表面組織的微結(jié)構(gòu)使得聚吡咯體系具有很強(qiáng)的柔韌性和抗彎折能力，能夠經(jīng)受不同程度的機(jī)械形變而不影響光熱轉(zhuǎn)換性能。

鑒于所制備聚吡咯結(jié)構(gòu)高效的光熱轉(zhuǎn)換能力，研究人員設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)來評價(jià)其在實(shí)際光熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的潛力。例如，將其作為吸光層用于直接光熱轉(zhuǎn)換時，其效果遠(yuǎn)超過商用的黑色吸光布；而利用聚吡咯/PVDF雙層結(jié)構(gòu)用作光致驅(qū)動器時，則可以實(shí)現(xiàn)快速大角度的光照形變，并能在撤掉光源后快速回復(fù)；另外，上述材料還展現(xiàn)出優(yōu)異的水蒸氣蒸發(fā)效率，同時在海水淡化及污染物處理方面的效果也十分顯著。

該研究不僅提供了一種制備具有表面微結(jié)構(gòu)的多層聚合物薄膜并利用自發(fā)生成的表面結(jié)構(gòu)以提高其光捕捉能力的方法，同時也為今后設(shè)計(jì)簡單高效的光熱能量轉(zhuǎn)換材料提供了新的思路和見解。

注：相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201807716)上。