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华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Mater. Horiz.》:配位辅助木质素光热多米诺策略制备快速响应智能追光材料
2022-08-17  来源:高分子科技

  向光性是许多生物(如向日葵)跟随光源方向作向性运动的一种特性。这是由于向光行为有利于获得更大光照面积,可以最大限度地获取太阳能量用于生物的自我生长和繁殖,这被认为是一种高效利用太阳能的有效策略。受此启发的随光源方向作向性运动的智能材料,它为高效利用太阳能、助力碳中和提供了一个重要途径。然而,现有的向光材料往往由光热介质和弹性体复配而成,常使用成本昂贵或不绿色的光热转化介质,抵消了向光材料的减碳效果。


  近日,华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青教授团队,使用极其常见的三元乙丙橡胶(EPDM)原料和极其普通的生物质木质素为绿色光热转化介质,提出了一种配位辅助多米诺光热策略,通过配位键逐次优化光热转化、界面热传递和宏观光热驱动过程,制备了一种快速追光的向光材料。 


配位辅助多米诺策略示意图


  首先利用不饱和有机金属盐改性木质素制备木质素-Zn配位化合物,随后将木质素-Zn配位化合物接枝到EPDM骨架上,在木质素与EPDM间原位构建界面配位键,最后通过机械训练重构界面配位键,使橡胶链段局部取向,制备出快速响应的追光材料。在此过程中,配位键首先能提高木质素在光照下产生的自由基浓度、促进木质素的光热转化;然后界面配位键能提高木质素与EPDM的界面作用力、提高界面接触面积、增强界面热传递,使木质素光照下产生的热能快速地传递到弹性体基体中;最终,通过机械训练强化配位键对橡胶链段的约束作用,促进链段取向,提高了驱动应变及响应温度窗口。这些逐次的优化过程就像多米诺效应一样,以配位键作为初始推力,从光热转化到界面热传导,再到光热驱动,逐次强化,就像多米诺骨牌效应一样,直到最终目标得到快速响应向光材料。此外,不同于以往热响应聚合物的温度响应窗口受到较窄相变温度的限制,本研究中的配位辅助机械训练过程显著拓宽了EPDM复合材料的温度响应窗口。 


木质素配位化合物及木质素/EPDM复合材料的光热性能及光热增强机理


  所制备的木质素/EPDM复合材料能在2.5秒内完成对红外光源的追踪过程,并且也能追踪太阳光源。由木质素/EPDM复合材料组装而成的小型太阳能发电装置可以跟随光线转向,输出电流不随太阳光入射角变化,显示出在太阳能利用方向的应用潜力。 


木质素/EPDM复合材料的追光性能及太阳能发电应用


  这项工作的意义在于:


  1、首次证明了配位作用促进木质素基有机自由基的产生,并能有效提高木质素的光热转换能力(提高2.3倍),这为开发高性能生物质基光热转化介质提供了新思路。


  2、从微观尺度优化木质素的光热转化,介观尺度优化木质素与EPDM的界面热传递,宏观尺度优化EPDM复合材料的热驱动性能,多尺度阐明向光材料结构-性能之间的关系,为开发快速响应追光材料/光热响应材料提供了新途径。


  3、再次证明,木质素的共轭结构具有高效的光热转化功能,在功能和智能高分子材料领域具有巨大的应用潜力。


  该工作A fast-response biomimetic phototropic material built by a coordination-assisted photothermal domino strategy 最近发表在Materials Horizons,论文第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生涂志凯,华南理工刘伟峰研究员和广东工业大学邱学青教授为论文共同通讯作者。


  论文链接:https://doi.org/10.1039/D2MH00859A

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(责任编辑:xu)
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