【AM宁波材料所建所20周年专刊】超疏水光热材料及其前沿应用

太阳能的转换与利用是缓解全球能源危机和环境问题的重要战略之一。作为一种直接高效的绿色、低能耗能量转化策略，太阳能-热转换能够轻易地将入射的太阳光转化为可观的热量以促进能源的再利用。然而，当传统的光热转换材料暴露在水环境下，由于水的高比热容导致材料光热转换效率降低，难以维持性能的稳定。为了应对这一挑战，将超疏水功能结构引入光热材料体系有望实现高效稳定的热供应以及在各种水环境下实现新的功能应用。

超疏水光热材料（SSTMs）具有协同拒水性和光热转换的特性，在抗冰除冰、海水淡化、原油收集、光驱动执行器、热量管理以及生物医用领域具有广阔的应用前景。SSTMs的典型优点是即使在水的环境下仍能实现稳定的光热转换和持续的热能供应，从而提高能源利用效率。尽管一系列超疏水光热材料被研究和报道，但其工作机制、制备策略及前沿应用尚未被系统总结和探讨。

近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室智能高分子材料团队陈涛研究员和肖鹏研究员一直致力超疏水太阳能-热转换材料及其在海水淡化、能量管理及智能驱动等方面的应用研究（Nat. Commun. 2020, 11, 4359; Matter 2022, 5, 2624; Adv. Mater. 2021, 33, 2103937; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59,19237; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2209654; Small 2023, 19, 2302509; Nano Lett. 2022, 22, 9343; Nano Energy 2022, 97, 107180; Nano-Micro Lett. 2022, 14, 32; Nano Energy 2020, 68, 104385; Nano Energy 2020, 68, 104385; Nano Energy 2020, 68, 104311; Nano Energy 2019, 65, 104002, etc.）。近日，该团队受邀在Advanced Materials上发表了题为“Superhydrophobic Solar-to-Thermal Materials Toward Cutting-Edge Applications”的综述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311453），系统总结了近年来超疏水光热材料的研究进展（图1）。

文中，作者首先介绍了太阳能-热转换材料的基本概念及机制，包括等离子体局部加热（金属材料）、非辐射弛豫（半导体）和分子热振动（碳和有机聚合物材料）。为了提高光热转换效率，光热性能材料应满足高宽带（300-2500 nm）太阳能吸收和低透射/反射率的特性。作者还详细介绍了超疏水材料的基本结构与原理，重点介绍了超疏水光热材料的制备策略（包括激光刻蚀法、喷涂法、模板法、化学沉积、浸涂法及层层自组装），总结了制备得到的材料性能及优缺点。作者全面梳理了超疏水光热材料在抗冰除冰、海水淡化、原油收集、光驱动执行器、可穿戴热管理、室内热管理以及生物医用领域的最新进展（图2）；并总结了光热转换和超疏水功能结构在各个领域发挥的协同作用，例如增强光吸收、降低流体的阻力与粘附、抗盐阻塞、防水、自清洁、杀菌等，讨论了超疏水光热材料面临的挑战，并对未来的发展方向进行了展望。

宁波材料所2020级博士黎姗为论文第一作者，陈涛研究员、肖鹏研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目（52373094、52073295）、宁波市自然科学基金（2021Z127）、中德合作国际交流基金（M-0424）、宁波市公益科技项目（2021S150）资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311453

图1 具有多级微纳结构的超疏水光热材料

图2 超疏水光热材料的构筑策略及前沿应用

（海洋关键材料重点实验室）