可见光透明的低红外发射材料在红外伪装、被动辐射加热、建筑节能和光热转换等诸多领域都有重要应用。但这种类型的材料在自然界中比较少见。金属是常见的低红外发射材料，但其通常不透明，且存在易腐蚀、密度大、难加工等缺点。透明聚合物材料因其质轻、易加工、耐腐蚀等优点，在制备可见光透明低红外发射复合材料方面具有极大潜力。但是，高分子材料的红外发射率通常较高，如何制备兼具高可见光透过率和低红外发射率的高分子复合材料依然存在很大的挑战。
近日，郑州大学材料学院王建峰副教授和王万杰教授团队通过在透明聚合物薄膜表面上磁控溅射ITO并喷涂MXene纳米涂层，制得可见光透明的低红外发射PET-ITO@MXene（PET-IM）复合薄膜。PET-IM复合薄膜具有高可见光透过率和低红外发射率，使其拥有出色的可见透明红外隐身性能。同时，该低红外发射透明复合薄膜具备优异的被动辐射加热能力（5.7°C），高太阳能吸收率和电导率，在853.8 W·m−2太阳光辐照下，薄膜表面饱和温度可达102.3°C；在6V输入电压下，薄膜表面饱和温度可达106.7°C。而且，被动辐射加热和主动光/电三种加热模式可以叠加和组合，满足多种加热需求。这种低红外发射透明聚合物复合薄膜在红外隐身、建筑采光与热管理、精准节能加热等方面具有重要应用价值。该研究以“Visible transparent, infrared stealthy polymeric films with nanocoating of ITO@MXene enable efficient passive radiative heating and solar/electric thermal conversion”为题发表在最新一期的《Nano Research》上。
图2 (a)低红外发射透明聚合物薄膜的热传输机理；(b) PET-IM复合薄膜的制备过程示意图；(c) MXene纳米片的TEM；(d) PET-IM50薄膜的截面SEM；(e)不同薄膜在可见光波段的透过率；(f) PET-IM30薄膜的实物图；(g)不同薄膜在7-14 um的红外发射光谱图；(h)不同薄膜的可见光透过率和红外发射率对比。
图3 PET-IM50薄膜在(a) 100 ℃热台上、(b)户外、(c)人体皮肤上的热红外图像；(d)不同薄膜覆盖在人工皮肤上的实时温度和 (e) 稳定温度；(f)不同薄膜覆盖在人体皮肤上的实时温度；(g)空白模拟房子和PET-IM30薄膜覆盖的模拟房子的实物图和红外图； (h)不同薄膜覆盖的房子的实时温度和(i)稳定温度。
图4 (a)不同薄膜在紫外-可见-近红外波段的吸收率；(b)户外光热实验装置；(c)户外光热实验的实时温度；(d)室内红外灯照射下复合薄膜的实时温度；(e)不同输入电压下PET-IM50薄膜的电热性能；(f)不同薄膜在6V电压下的电热性能；(g) 不同薄膜I-V曲线；(h) PET-IM50薄膜在不同输入电压作用下的温度演变曲线；(i) 循环电热实验。
该论文第一作者为郑州大学材料学院硕士生杜星园，通讯作者为郑州大学材料学院王建峰副教授。研究得到国家自然科学基金、郑州大学优秀青年人才创新团队、中国博士后特别资助/面上基金、河南省重点研发与推广专项、高分子材料工程国家重点实验室开放课题等项目支持。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4962-6
相关进展
郑州大学王建峰/王万杰Nano Energy：MXene用于先进热管理与热能利用
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