通讯单位：安徽大学材料科学学部、安徽工业大学化学化工学院、安徽大学材料科学学部
论文DOI：10.1002/adfm.202208965
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将可再生太阳能转化为可管理的热能对各种应用具有重要意义。然而，将多功能光热涂层集成到各种衬底上并实现大规模生产仍然是一个挑战。本文利用氧化化学气相沉积(OCVD)成功地在多个基板上制备了Cl-掺杂聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(Cl-PEDOT)涂层，而不受基板表面化学成分(如润湿性)、尺寸和维度(2D-3D)变化的限制。部分Cl-掺杂和自发形成的微结构能显著提高涂层的近红外吸收和亲水性。Cl-PEDOT涂层具有通用性、可扩展性、低成本、高效率和稳定性等优点。当用于太阳能蒸汽发电时，所有涂覆了Cl-PEDOT的基板都表现出增强的蒸发性能。通用性使通过结构设计优化蒸发器性能成为可能。能量流优化的结构设计使金字塔列式木质蒸发器在弱光(0.5 Sun)下创造了蒸发纪录(≈1.19 kg m−2 h−1，≈91%)。
背景介绍
太阳能被认为是地球上最有希望和最可开发的可再生能源。然而，受限的太阳能转换利用效率是利用太阳能缓解能源危机和环境问题的主要障碍。先进的太阳能转换技术，如光伏、光热转换、人工光合作用，已经成为太阳能驱动应用的基础。其中，光热转换被认为是一种比其他转换技术更直接、更高效、更具吸引力的选择。转换后的热量可广泛应用于太阳能蒸汽发电、废水净化、环境加热、降低原油粘度、除冰等领域。因此，人们致力于开发可靠和有效的材料作为太阳能热转换候选材料。到目前为止，基于电磁辐射和物质之间的相互作用，设计了金属纳米粒子、无机半导体、聚合物、碳基材料，并获得了高的光热转换效率。除了优良的高效光热材料应易于制备且具有可扩展性之外，还需要成本低，稳定性好，从而满足规模化应用要求。具有优化性能的宏观结构的太阳能蒸发器，如圆锥形阵列、人造树和桥拱结构已成为主流。然而，复杂的宏观结构给光热材料的转化带来了困难。通用性是吸引人的特点，以满足兼容性，即简化转换材料的要求。因此，开发满足上述性能要求的太阳能热转换涂层具有重要意义
本文亮点
1. 本工作利用oCVD技术在不同的衬底上制造了多功能的Cl-PEDOT光热涂层，不需要任何粘合剂和添加剂，oCVD技术可以方便地将各种形状的衬底转化为太阳能热能材料，方便蒸发器的结构设计，优化蒸发器的性能。
2. 采用三氯化铁(FeCl3)作为聚合引发剂，当同时引入单体(3，4-乙烯二氧噻吩)和氧化剂(FeCl3)时，氧化剂不仅可以引发聚合，而且其中的阴离子(Cl-)可以部分地原位掺杂到聚合物链中，有效地增强了涂层对近红外的吸收，改善了涂层的亲水性。
3. 用Cl-PEDOT涂层木材构建的温室模型可以实现环保、节能的室内温度控制和阳光驱动的除湿，而不需要额外的能量输入。
图文解析
本文利用oCVD技术在各种衬底上制造一种多功能太阳能到热能Cl-PEDOT涂层（图1a，b），当同步引入单体[3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）]和氧化剂（FeCl3）时，氧化剂不仅可以引发聚合，还可以引发阴离子（Cl−)在原位模式下可以部分掺杂到聚合物链中，形成极化和双极化PEDOT，从而有效地增强涂层的近红外吸收并改善其亲水性，基于oCVD技术的Cl-PEDOT涂层具有五个优点：通用性、可扩展性、高太阳能热效率、低成本和稳定性（图1c）。
如图2a所示，紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）光谱表明，结构化的Cl-PEDOT涂层可以有效实现整个太阳光谱（250–2500 nm）的宽带吸收。照射在Cl-PEDOT涂层的各种衬底上的入射光表现出明显较低的反射。结构化Cl-PEDOT涂层的优异太阳能吸收性能为太阳能热转换奠定了良好的基础。在垂直照射下（1 Sun），干燥的Cl-PEDOT涂层木材、岩棉、织物、滤纸和棉花在3 min内的表面最高温度分别迅速升高到85.1、88.8、85.4、81.1和80.6°C（图2b）。当模拟太阳光照时间达到1h时，它们的表面平衡温度分别达到91.9、93.3、91.1、86.3和85.2°C（图2c）。结果表明，Cl-PEDOT涂层的各种基材都具有优异的太阳能热转换性能，这证实了利用oCVD技术制备Cl-PEDOT涂层太阳能热复合材料的可行性。然而，不同衬底的表面平衡温度略有不同，这可能是由于异质衬底的太阳能吸收和原始衬底的热导率不同所致。此外，简单或复杂的2D–3D图案材料可以通过oCVD技术快速转化为Cl-PEDOT涂层太阳能复合材料（图2d）。接触角和超铺展时间表明，Cl-PEDOT涂层的各种基底表现出亲水性，水滴可以在短时间内完全吸收到复合材料中（图2e）。
等效蒸发焓（ΔHeq）是评价蒸发器优越性的一个重要指标，通过暗蒸发实验计算得出（图3a）。经Cl-PEDOT涂层改性的木材、岩棉、陶瓷、滤纸和织物的水的ΔHeq分别为1673.71、1905.52、2002.89、1816.89和1630.71 J g−1，这表明Cl-PEDOT涂层减少了水的ΔHeq。Cl-PEDOT涂层木材和织物的水的ΔHeq远低于其他材料，这是因为原始木材和织体中含有丰富的亲水官能团，进一步增加了中间含水量。Cl-PEDOT涂层基板的蒸汽生成速率均远高于无太阳能热基板的纯水（图3b）。如图3c所示，经Cl-PEDOT涂层改性的木材、岩棉和陶瓷过滤器的太阳能-蒸汽转换效率约为72-80%，而滤纸和滤布的约为61-64%（1 Sun）。切割好的木头经过oCVD工艺处理后，所有暴露表面都变成黑色（图3d）。在模拟太阳光照射下，PAW的水分蒸发率高达约2.1 kg m−2 h−1，太阳能-蒸汽效率高达88%左右，远高于未进行结构设计的扁木（FW）（图3e，f）。在弱光照射下（0.5 Sun），Cl-PEDOT涂层的PAW的水分蒸发率可以达到约1.19 kg m−2 h−1，其能效约为91%（图3g）。将Cl-PEDOT涂层PAW的蒸发性能与之前报道的不同太阳辐射下的蒸发器进行对比（图3h），在模拟太阳辐射（1 Sun）下，Cl-PEDOT涂层PAW的蒸发率和能效与最好的蒸发器相当。然而，在弱光环境下，PAW蒸发器的能效远高于其他蒸发器，通常低于90%左右能效。
为了阐明结构设计在能源利用方面的优势，我们进一步研究了FW和PAW中的热量分布，以澄清蒸发过程中的能量流动方向。干燥PAW的顶部/侧面最高温度（0.5 Sun）高于干燥FW，其顶部表面平均温度保持在类似水平。（图4a）。值得注意的是，具有周期性谷的PAW通常在谷底出现高于峰值的表面温度（图4b）。这可能是因为山谷底部的狭窄空间有效地捕获了入射光，并导致了入射光的多次反射和吸收。相反，湿态下PAW的顶部表面温度低于FW，而侧面温度几乎相同（PAW的温度稍低）（图4a，图4c）。这是因为具有较高比表面积的顶部金字塔阵列扩大了蒸汽逃逸通道，从而产生了更强的冷却效果。使用COMSOL对两种太阳热木材的热传导过程进行了数值模拟研究（图4d）。对稳态传热过程进行了模拟，给出了两种结构木材的温度分布和导热情况，模拟的表面温度分布与实验结果基本一致。
总结与展望
这项工作演示了如何使用oCVD技术在不同的衬底上实现太阳能-热Cl-PEDOT涂层的集成，以适应不同的太阳能驱动应用，而不受衬底表面化学，例如，润湿性、尺寸和维度（2D–3D）变化的限制。oCVD技术带来的通用性为结构设计提供了便利，从而提高了性能。Cl-PEDOT涂层基板可直接用于水蒸发、室内加热/除湿、粘性原油清理。作为概念验证，太阳能蒸汽发生器（PAW）、太阳能驱动可控温湿度温室（木材）和粘性原油清洗装置（岩棉）均采用Cl-PEDOT涂层基板成功制造，所有这些都取得了令人满意的性能。此外，使用oCVD技术，无需专用设备的帮助，即可轻松获得大规模的Cl-PEDOT涂层基板。基于oCVD技术的Cl-PEDOT涂层为一种“非常便宜的翡翠”废料增加了价值，并证明是一种可扩展的方法，可为太阳能能源管理提供太阳能到热能材料。
作者介绍
黄方志，安徽大学教授，博士生导师，主持国家自然科学基金，安徽省自然科学基金，安徽省高校优秀人才基金，参加了多项国家自然科学基金的研究工作。以通讯作者或第一作者在Advance Functional Materials，Chemical Engineering Journal，ACS Appl. Mater. Interfaces， Chem Comm等期刊上发表了学术论文60多篇。
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