01

背景介绍

光热转换由于其环保和节能的特性以及易于获取而引起了极大的关注。石墨烯表现出独特的允许有效吸收广谱光的电子能带结构，使其在光热转换中高度适用。它在不同波段表现出卓越的光吸收能力，包括可见光、红外线和微波辐射，从而能够将这些波长转换为热能。这种特殊的光吸收特性使石墨烯在太阳能热能转换和其他光热应用中具有很大的应用前景。然而，石墨烯中电子的线性色散关系，即狄拉克锥，导致激发时电子的高散射。因此，石墨烯对光的吸收减少，导致显著的反射率。多年来，广泛的研究揭示了石墨烯在光热转换方面的巨大潜力。然而，现在没有提出一个典型的策略来解决石墨烯高反射率的困境。近年来，为了实现更高的光热转换效率，许多学者将仿生学应用于光热转换领域。

02

成果掠影

近日，中国科学技术大学朱纪欣、香港理工大学Wei Cai团队合作，针对以石墨烯为代表的传统光热材料经常会遇到反射率过高的问题取得最新进展。该项研究受到昆虫复眼的启发，利用菲涅尔方程设计了一种防反射结构，增强了石墨烯的光热特性。通过在石墨烯表面添加 PDMS/SiO₂ 薄膜来防止反射造成的光损失，聚氨酯层有效地促进了热存储，从而提高了材料的整体温度。由此制成的 PU/GS4 复合材料在光热转换和除冰功效方面表现出色。当暴露在阳光下时，它能达到 77.3°C的稳定温度，在-20°C的环境中，厚度为 5 µm的材料能在 70 秒内迅速除冰。此外，PU/GS4 材料还能在连续 10 次测试中保持其光热效应和除冰能力而不发生退化。在高纬度地区的冬季，所开发的涂层可降低≈31%的能耗，大大减少了室内供暖所需的能源。此外，GS 涂层通过 PDMS 和石墨烯的联合阻燃作用，有效提高了聚氨酯的热安全性。受保护的聚氨酯基材的总热量释放减少了 58%，烟雾排放减少了 55%。此外，PU/GS4 复合材料对茶水、牛奶和果汁具有卓越的自清洁效果。这种涂层赋予聚氨酯出色的光热转换、除冰性能、自清洁功能和更高的热安全性，使其适用于高层建筑、户外设施和航空航天设备等多种应用。研究成果以“Biomimetic Multifunctional Graphene-Based Coating for Thermal Management, Solar De-Icing, and Fire Safety: Inspired from the Antireflection Nanostructure of Compound Eyes”为题发表在《Small》。

03

图文导读

图1. a) 昆虫的复眼具有独特的结构，由表面的微小凹陷组成。这些凹痕利用折射率的变化来促进界面之间的光反射，从而提高昆虫对周围环境的感知敏锐度并扩大其视野。c) 石墨和石墨烯的 XRD 和 d) 拉曼曲线；e) 石墨和石墨烯的 XPS 光谱；f) 夹层式 PU/GS 的示意图，金色指 PDMS/SiO₄，蓝色指 PU；g) PU/GS 涂层的光学照片。

图2.用锥形量热计测试了聚氨酯及其复合材料的燃烧行为。

图3. a) 紫外线分光光度计测试得出的 PU、PU/G4 和 PU/GS4 的透射率和 b) 反射率；c) PU/G 和 PU/GS 在太阳光照射下的光热转换测试；d) 界面消除示意图；e) 红外摄像机拍摄的光热转换过程。f) 计算得出的 PU、PU/G1、PU/G4、PU/GS1 和 PU/GS4 的光热转换效率 g) 在相同环境下对 PU/GS4 重复进行的 10 次测试；h) 利用各种基底进行光热转换的最终平衡温度（通过红外摄像机记录）。

图4.a) 描述了 NaCl 液滴在热塑性聚氨酯、热塑性聚氨酯/G 和热塑性聚氨酯/GS4 表面上的移动情况。b) 通过用茶、牛奶和果汁处理热塑性聚氨酯/GS4，展示了自清洁功效测试结果。d) 展示防冰测试结果，捕捉 0.2 mL 液滴在零下 20°C 环境中在 TPU 和 TPU/GS4 表面上的行为。） h) 将接触角、光热温度、除冰工作温度和除冰持续时间方面的研究成果与其他学者的研究成果进行比较。

图5.a)构建的建筑模型和b)其原型。c) EnergyPlus的节能效果。d)雅库茨克，e)哈尔滨，f)渥太华不同涂料的节能曲线。

原文 |https://doi.org/10.1002/smll.202312083