【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的強冷空氣等極端氣候頻繁發(fā)生。例如，典型寒潮不僅會使人凍傷，而且會嚴重推遲作物的發(fā)芽和播種，或對社會經(jīng)濟、資源和環(huán)境造成損失。目前采用多種加熱器件來提高溫度造成大量化石燃料及電力能源的消耗。因此，開發(fā)環(huán)保、低耗能、可再生的高效采暖技術有望成為重要的解決方案。
太陽能-熱轉換被認為是綠色、低能耗的直接且高效的產(chǎn)熱策略。盡管在開發(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)。具體來說，當傳統(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，由于水的比熱高，多數(shù)光熱系統(tǒng)不可避免地會發(fā)生溫度急劇下降的情況，導致加熱性能的不連續(xù)。此外，凝結的水滴會對農作物造成傷害，且在寒冷的天氣下會使膜系統(tǒng)結冰開裂，這限制了傳統(tǒng)光熱系統(tǒng)的應用。因此，亟需開發(fā)不受水環(huán)境影響的健壯光熱轉換材料。
構筑超疏水表面是抗水潤濕性的有效途徑，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)生而導致熱管理效率降低的問題。近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤、副研究員肖鵬，基于在碳基/高分子復合薄膜的構筑及其能量管理方面的研究基礎，探索了簡單、高效、可擴展的方法將分層納米結構的蠟煙灰部分嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體中實現(xiàn)了具有良好的超疏水和光熱性能的Janus膜(SPCM)。
該工作設計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構，得到了具有健壯互鎖結構的Janus復合膜。所獲得的互鎖結構不僅決定了SPCM的高發(fā)射率，且能夠高效地進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。通過典型的燃燒過程，可以簡單高效、大面積地獲得具有分層納米結構的蠟燭煙灰。隨后，研究通過在水/空氣界面制備部分交聯(lián)的PDMS彈性體進行粘接轉移與二次固化，制備出超疏水光熱蠟燭煙灰薄膜(SPCM)。該薄膜在1個太陽光下具備～68℃的太陽光-熱轉換能力和～159.7°的超疏水特性。此外，薄膜的非對稱結構可以有效減弱作為透光和隔熱外層的PDMS側散熱，使得材料的熱利用效率高。基于這些優(yōu)點，SCPM Janus膜進一步作為防水、熱管理裝置，持續(xù)加熱密閉空間，且在薄膜表面上沒有液態(tài)水冷凝，可實現(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、光熱轉換、能在封閉系統(tǒng)下保持穩(wěn)定的供熱等優(yōu)點，顯著提高了豆芽發(fā)芽率。因此，超疏水光熱膜的非對稱結構設計有望成為開發(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)和新一代城市農業(yè)中具有廣闊的應用前景。
相關研究成果以Hierarchically Nanostructured Janus Membranes Toward Sustainable and Efficient Solar-to-Thermal Management為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、寧波市科技局、國家自然科學基金委員會中德交流項目、寧波市公益類科技計劃項目、中科院等的支持。
SPCM與傳統(tǒng)薄膜的結構、工作原理及在城市農業(yè)中的應用
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