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湘潭大学谢鹤楼教授团队&美国弗吉尼亚理工刘国梁副教授:聚酰亚胺光热共聚物用于高效太阳能水蒸发2025-12-05
Aggregate (《聚集体》)致力于发表聚集体科学领域的基础和应用研究的重要进展和创新性成果,包括但不限于材料、化学、物理、生物以及应用工程等领域。聚集体科学研究范围广泛,单分子层次之上均可视为聚集体。

Aggregate (《聚集体》)鼓励人们打破学科藩篱,实现研究范式的转移,在更高的结构层次上探索更复杂的系统和过程。

 

文章信息

 

 

通讯作者:谢鹤楼,湘潭大学;刘国梁,美国弗吉尼亚理工大学

作者:李诗琴,邓媛,黄江,汪璞,刘国梁,谢鹤楼

 

 

Keywords:

polyimide

photothermal

molecular engineering

solar water evaporation

原文链接:

https://doi.org/10.1002/agt2.371

文章简介

聚酰亚胺(PI)作为一种工程塑料具有稳定的物理化学性能,而在可见光有广泛吸收的黑色聚酰亚胺可作为柔性印刷电路的覆盖层、光学端子的吸光膜,但很少有报道关注其光热性能。低透光率的黑色材料被称为宽波长入射光的理想吸收剂,因此,具有优异组合性能的黑色聚酰亚胺有望在太阳光谱中通过高吸收产生丰富的热量。

基于此,作者从分子工程角度成功地设计和合成了在紫外、可见光和近红外范围内具有强吸收的本征型光热PI。首先制备了一种在紫外区具有强吸收的二胺单体(Z)-2,3-双(4-氨基苯基)丙烯腈(CNDA),通过将其与具有强近红外吸收二胺单体4,4-二氨基苯胺(NDA)以及二酐单体均苯四甲酸二酐(PMDA)进行无规三元共聚,调节投料比合成了一系列在紫外和近红外区域具有强吸收的本征高效光热PI(图1) 。该本征型光热PI在紫外光、绿光、近红外光和模拟太阳光的照射下,均表现出明显的升温,进一步实验结果表明该类光热PI材料在太阳光谱中具有广泛的吸收,以及高效的光热转换特性。其中CNDA:NDA含量为1:1时,由于NDA与PMDA分子间和分子内的电荷转移络合物的形成以及CNDA强紫外区吸收的协同作用,得到的聚合物PI-0.5具有最强的光热效果。

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图1.  光热聚酰亚胺分子结构示意图合成路线

基于这一特性,以该本征型光热PI-0.5为基础,将PI的前驱体溶液PAA溶液与纤维素纳米纤维混合均匀,通过冷冻干燥技术制成PAA-CNF气凝胶,经过亚胺化后,将其构筑成3D蒸发器利用定向冷冻干燥技术,制备了具有定向通道的3D太阳能水蒸发器,其水蒸发速率高达2.31 kg m-2 h-1并在高盐度和酸/碱性条件下始终保持高蒸发速率(图2),模拟海水的离子去除率超过99.9%,表明该光热PI在太阳能水处理领域具有极大的应用潜力。

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图2.  太阳能水蒸发器的制备及性能研究

以上研究论文以“Light-Absorbing Copolymers of Polyimides as Efficient Photothermal Materials for Solar Water Evaporation”为题发表于 Aggregate 期刊,论文第一作者为湘潭大学化学学院硕士生李诗琴通讯作者为湘潭大学谢鹤楼教授,美国弗吉尼亚理工大学刘国梁副教授。

(Aggregate 2023, e371.
 https://doi.org/10.1002/agt2.371)

 

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