【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著全球氣候變暖，一些威脅公眾健康和作物生長(zhǎng)的強(qiáng)冷空氣等極端氣候頻繁發(fā)生。例如，典型寒潮不僅會(huì)使人凍傷，而且會(huì)嚴(yán)重推遲作物的發(fā)芽和播種，或?qū)ι鐣?huì)經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境造成損失。目前采用多種加熱器件來(lái)提高溫度造成大量化石燃料及電力能源的消耗。因此，開(kāi)發(fā)環(huán)保、低耗能、可再生的高效采暖技術(shù)有望成為重要的解決方案。
太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是綠色、低能耗的直接且高效的產(chǎn)熱策略。盡管在開(kāi)發(fā)一系列具有可控特性的光熱材料方面已付出努力，但仍然存在挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)傳統(tǒng)的光熱系統(tǒng)暴露在液態(tài)水甚至高濕度的環(huán)境中時(shí)，由于水的比熱高，多數(shù)光熱系統(tǒng)不可避免地會(huì)發(fā)生溫度急劇下降的情況，導(dǎo)致加熱性能的不連續(xù)。此外，凝結(jié)的水滴會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成傷害，且在寒冷的天氣下會(huì)使膜系統(tǒng)結(jié)冰開(kāi)裂，這限制了傳統(tǒng)光熱系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，亟需開(kāi)發(fā)不受水環(huán)境影響的健壯光熱轉(zhuǎn)換材料。
構(gòu)筑超疏水表面是抗水潤(rùn)濕性的有效途徑，將超疏水和光熱特性的高效集成有望解決光熱材料中因水滴的產(chǎn)生而導(dǎo)致熱管理效率降低的問(wèn)題。近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)研究員陳濤、副研究員肖鵬，基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其能量管理方面的研究基礎(chǔ)，探索了簡(jiǎn)單、高效、可擴(kuò)展的方法將分層納米結(jié)構(gòu)的蠟煙灰部分嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體中實(shí)現(xiàn)了具有良好的超疏水和光熱性能的Janus膜(SPCM)。
該工作設(shè)計(jì)了將蠟燭煙灰顆粒部分嵌入透明彈性體薄膜中的分層納米結(jié)構(gòu)，得到了具有健壯互鎖結(jié)構(gòu)的Janus復(fù)合膜。所獲得的互鎖結(jié)構(gòu)不僅決定了SPCM的高發(fā)射率，且能夠高效地進(jìn)行紅外熱輻射以加熱空間，而且保證了超疏水光熱表面的穩(wěn)定性。通過(guò)典型的燃燒過(guò)程，可以簡(jiǎn)單高效、大面積地獲得具有分層納米結(jié)構(gòu)的蠟燭煙灰。隨后，研究通過(guò)在水/空氣界面制備部分交聯(lián)的PDMS彈性體進(jìn)行粘接轉(zhuǎn)移與二次固化，制備出超疏水光熱蠟燭煙灰薄膜(SPCM)。該薄膜在1個(gè)太陽(yáng)光下具備～68℃的太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換能力和～159.7°的超疏水特性。此外，薄膜的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以有效減弱作為透光和隔熱外層的PDMS側(cè)散熱，使得材料的熱利用效率高?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，SCPM Janus膜進(jìn)一步作為防水、熱管理裝置，持續(xù)加熱密閉空間，且在薄膜表面上沒(méi)有液態(tài)水冷凝，可實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的穩(wěn)定熱管理。此外，作為演示，它還可以作為加熱和擋光膜，有效地為豆芽提供合適且穩(wěn)定的溫度。與商用膜相比，SPCM膜具有優(yōu)異的抗水凝結(jié)、光熱轉(zhuǎn)換、能在封閉系統(tǒng)下保持穩(wěn)定的供熱等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了豆芽發(fā)芽率。因此，超疏水光熱膜的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有望成為開(kāi)發(fā)環(huán)境穩(wěn)定的熱管理器件的新途徑，在低碳住宅系統(tǒng)和新一代城市農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果以Hierarchically Nanostructured Janus Membranes Toward Sustainable and Efficient Solar-to-Thermal Management為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市科技局、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)中德交流項(xiàng)目、寧波市公益類(lèi)科技計(jì)劃項(xiàng)目、中科院等的支持。
SPCM與傳統(tǒng)薄膜的結(jié)構(gòu)、工作原理及在城市農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
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