唯一通讯！贵州大学刘迅成Angew (热点文章)：双醌主链协同侧链工程实现太阳光/激光双驱动高效光热应用的超高温共轭聚合物

高分子科学前沿

2025-11-14

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导读：近日，贵州大学刘迅成特聘教授团队报道了一种全新的分子设计策略：共轭聚合物主链中同时引入醌式与预醌式单元，并协同

近日，贵州大学刘迅成特聘教授团队报道了一种全新的分子设计策略：共轭聚合物主链中同时引入醌式与预醌式单元，并协同侧链工程，成功构建出兼具宽谱太阳光吸收与激光共振响应的有机光热材料。该材料展现出优异的光热转化效率，可同时应用于太阳能海水淡化和激光驱动的高温应用场景，成功突破了有机光热材料在太阳光与激光双模式驱动下性能兼容的难题。研究成果以“Dual-Quinoid Backbone Synergistic with Side-Chain Engineering Enables Ultrahigh-Temperature Conjugated Polymers for Bridging Solar- and Laser-Driven Photothermal Applications”为题，发表于化学材料顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（德国应用化学，中科院一区TOP，自然指数期刊，影响因子17.0),并被遴选为Hot Paper。贵州大学材料与冶金学院为论文唯一通讯单位，2022级硕士研究生李金伦为论文第一作者，刘迅成特聘教授为论文唯一通讯作者。

目前，大多数有机光热材料仅能在太阳光或激光单一驱动模式下发挥高效性能，而在同一材料体系中实现高效的双模式协同运行仍面临严峻的分子结构设计挑战。理想的“双模式”材料不仅需要具备宽谱太阳光吸收能力，还应在特定激光波长处具有强共振吸收特性，并能在连续太阳光照与高功率脉冲激光照射下均保持高效的光热转换效率和稳定的性能输出。尽管近年来相关领域取得了显著进展，但能够同时兼顾高效太阳能热转换与激光驱动高温输出的有机材料体系仍极为稀缺。开发此类兼具双驱动特性的材料，对于需要同时满足日常太阳能水处理与按需激光点火等复杂应用场景（特别是在偏远或资源受限环境中）具有重要的实用价值。虽然已有部分光热材料可实现较高的激光驱动温度（>200°C），但其在太阳光照射下的性能表现往往不尽如人意（图1a）。因此，如何在分子层面通过精准设计实现宽谱吸收、激光共振与高效光热转换，进而构建高性能的双模式有机光热体系，已成为该领域的关键挑战。

鉴于此，贵州大学刘迅成特聘教授团队在前期工作的基础上(Aggregate,2025, 6, e70204; Macromolecules, 2025, 58, 3677; Adv. Sci.,2024, 2401345; Acc. Chem. Res., 2023, 56, 1669; Adv. Funct. Mater., 2022, 2201903; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801874; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8355)，成功构建了一种基于para-azaquinodimethane（AQM，醌式单元）与thieno[3,4-b]thiophene（TbT，预醌式单元）的双醌共轭聚合物体系，并通过巧妙的侧链工程实现了对材料光热性能的有效调控。团队成功合成了两种新型双醌式聚合物——PAQM-TbT-C8与PAQM-TbT-2C8，并与单醌式聚合物PAQM-3T进行了系统的性能对比研究（图1b）。研究表明，引入预醌式单元TbT可显著增强醌式特性，有效提升材料的自由基特性并增大重组能，成功拓宽了近红外吸收范围，在808 nm附近形成明显的激光共振峰，同时显著抑制辐射能量损失，从而大幅提高光热转换效率。侧链工程进一步调控了主链平面性并优化了分子内运动能力。其中，具有大体积侧链的PAQM-TbT-2C8表现出更优的分子运动自由度与更弱的链间相互作用，从而显著促进了非辐射衰减过程，最终将其光热转换效率提升至更高水平。

在光热性能方面，PAQM-TbT-2C8在808 nm激光（1.2 W cm^‒2）照射下实现了356.0°C的超高温度，是目前各类光热材料中报道的最高温度之一，并展现出优异的光热稳定性（图1c），可成功应用于激光驱动的高温场景，如激光点火与形状记忆驱动等。此外，基于该材料构建的Janus界面蒸发器在模拟太阳光照下（1 kW·m^‒2），实现了2.78 kg m^‒2 h^‒1的水蒸发速率，创下了纯有机光热材料的最高纪录（图1d）。此项协同分子设计策略成功构建了兼具太阳光与激光双驱动的高效光热转换功能的新型有机材料体系，为多功能光热聚合物在可持续能源利用与精密热管理领域的实际应用奠定了重要理论基础。

图1. (a) 已报道的基于给体-受体或单醌式主链结构的代表性有机光热材料的化学结构。(b) 本研究提出的双醌式设计与侧链工程协同策略的概念示意图，以及PAQM-TbT-C8、PAQM-TbT-2C8和单醌式参比聚合物PAQM-3T的化学结构。(c) 不同功率密度和激发波长下，各类已报道光热材料可达到的最高温度对比。(d) 基于纯有机光热材料的Janus界面蒸发器的太阳能驱动水蒸发速率对比。

图2. (a) 通过Stille偶联聚合反应合成PAQM-TbT-C8和PAQM-TbT-2C8的路线图。(b) 两种聚合物在氯苯溶液及固态粉末状态下的照片。(c) 两种聚合物的热重分析曲线。(d) 聚合物在氯苯溶液（虚线）和薄膜状态（实线）下的归一化紫外-可见-近红外吸收光谱。(e) 聚合物在氯苯溶液中于808 nm激发下的发光光谱。(f) 聚合物在室温固态下的电子自旋共振谱。(g) 聚合物的能级结构图。

图3. (a) PAQM-3T、PAQM-TbT-C8和PAQM-TbT-2C8代表性三聚体片段的优化几何构型。(b) 基于噻吩和TbT单元计算的碳-碳键长。(c) 10 ns分子动力学模拟显示的氯苯溶液中链间聚集行为。(d)重组能计算值，包含键长、键角和二面角的贡献。(e) PAQM-TbT-C8和PAQM-TbT-2C8旋涂薄膜的GIWAXS图。

图4. PAQM-TbT-2C8粉末（20 mg）在(a)模拟太阳辐照（1 kW m⁻²）和(b) 808 nm激光辐照（1.2 W cm⁻²）下的红外热成像图及关闭光源后的冷却过程。三种聚合物在不同功率密度下的光热转换性能：(c) 模拟太阳辐照，(d) 808 nm激光辐照。三种聚合物在五个加热-冷却循环中的光热稳定性：(e) 模拟太阳辐照（1 kW m⁻²），(f) 808 nm激光辐照（1.2 W cm⁻²）。(g) 三种聚合物在模拟太阳辐照（1 kW m⁻²）下连续五天内的长期热稳定性。

图5. (a) Janus蒸发器制备流程示意图。(b) 不同PAQM-TbT-2C8负载量下Janus海光热层表面的水接触角。(c) 不同PAQM-TbT-2C8负载量Janus上层的微观结构SEM图像。(d) PAQM-TbT-2C8负载的光吸收谱与太阳光谱辐照度对比（棕色曲线）。(e) 不同PAQM-TbT-2C8负载量Janus蒸发器在模拟太阳辐照（1 kW m⁻²）下的表面温度变化。(f) 太阳能驱动水蒸发装置示意图。(g) 不同PAQM-TbT-2C8负载量蒸发器的实时水分蒸发质量变化。(h) 优化后的蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中连续7天（每天5小时，1 kW m⁻²模拟太阳辐照）的蒸发速率稳定性。(i) 优化的Janus蒸发器在不同NaCl浓度下的蒸发性能。(j) 模拟海水与冷凝水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺的实测浓度对比。(k) 水样净化前后的紫外-可见-近红外吸收光谱（MB污染水样-蓝线，MO污染水样-黄线，净化后水样-黑线）。

图6. (a) 普通火柴与PAQM-TbT-2C8涂覆火柴在1.2 W cm⁻²功率808 nm激光持续照射5秒前后的对比照片。(b) PAQM-TbT-2C8/PMMA涂覆PI薄膜构成驱动器在不同功率密度808 nm激光照射下的光热响应。(c) 驱动器在五个加热-冷却循环中的光热稳定性。(d) PI基驱动器在近红外激光触发下的高温形状记忆行为。

该研究得到了国家自然科学基金委和贵州省科技厅科学技术基金的资助。

作者介绍：

李金伦，2000年7月出生，贵州大学材料与冶金学院2022级硕士研究生，导师为刘迅成特聘教授。现就职于比亚迪股份有限公司，担任高级材料工程师。以第一/共同第一作者在Angew. Chem. Int. Ed和Mater. Horiz.国际知名期刊发表论文两篇。

刘迅成，1989年10月出生，贵州大学特聘教授，研究生导师。美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室联合培养博士，本、硕、博毕业于华南理工大学。2019年入职贵州大学材料与冶金学院，研究领域是有机/聚合物半导体材料的设计合成及其在场效应晶体管、太阳能水电联产和生物光热治疗等领域的应用研究。主持国家自然科学基金2项，省部级科研项目7项。以通讯作者/第一作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater.,Adv. Sci., Aggregate, Macromolecules等国际著名期刊发表论文数篇。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202520757

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