东华大学廖耀祖/孟楠团队Small Methods综述：光热转换多孔有机聚合物

太阳能作为一种可再生的清洁能源，对其高效储存、利用对于可持续发展战略具有重要的意义。光热转换材料作为太阳能的直接利用媒介之一，通过多种光热转换机理将太阳能转化为热能加以利用，并且其光吸收能力和光热转换效率可以通过微观、宏观结构进行调节以实现太阳能的利用最大化。在各类光热转换材料中，多孔有机聚合物（POP）具有比表面积高、分子设计可控、孔道结构可调、光吸收性好、导热系数低等优势，被广泛开发并应用于海水淡化、潜能储存、光热催化、生物医学和除冰等光热转换领域，提供了巨大的经济效益和社会效益。

鉴于此，东华大学廖耀祖研究员/孟楠副研究员近日在Small Methods期刊上发表了以“Photothermal Conversion Porous Organic Polymers: Design, Synthesis, and Applications”为题的综述论文，系统地总结了POP在光热转化方面的最新进展，包括五类POP材料及其衍生物、复合材料。作者从POP材料的微观分子结构与宏观多维形态设计，种类、结构属性与合成技术，及其应用前景等方面对光热响应型POP材料的研究进行了全面总结。综述着重分析了POP光热转换材料在太阳能蒸发与海水淡化、潜热储能、光热催化、光疗和防冰等领域的相关进展（图一）。最后讨论了POP在光热转换领域中的未来面临的挑战及发展前景，为进一步研究光热响应POP材料及应用方向提供了参考。

图一. 光热转换POP的分类和应用。

1.光热转换POP的设计

微观分子设计：通过研究用于光热转换的活性分子，比如卟啉、吡咯、苯胺、多巴胺等具有良好吸光能力的功能单体，发现由上述单体制备的聚合物对光吸收强烈。这类聚合物材料当入射光子能量与分子内电子跃迁所需的能量相匹配时，电子从π轨道激发到π*轨道，然后不稳定的电子返回基态时部分能量以热量形式释放。

宏观结构设计：除了光热转换的分子结构设计外，POP基光热转换材料的宏观结构设计在光热转换中也起着至关重要的作用。比如高孔隙度使光在孔道进行多次反射和折射以提高光吸收能力和利用率；通过引入输水路径、引入亲水/疏水基团制造成二维/三维的光热蒸发器，以实现更好的光吸收能力以及光热转换效率（图二）。

图二. 从微观到宏观的光热转换POP的设计

2.光热转换POP的分类

POP可分为共轭微孔聚合物（CMP）、共价有机框架（COF）、超交联聚合物（HCP）、自具微孔聚合物（PIM）和多孔离子聚合物（PIP）。其中，CMP的共轭骨架和多孔道结构赋予其良好的光吸收能力，此外合成单元和合成方法的多样性使CMP能够通过引入不同的光热官能团来实现功能性的分子设计。通过有机共价键构建的COF（图三）具有明确的晶体结构、高孔隙率、大比表面积、可调节的孔径、可预测的结构和良好的稳定性。此外，综述还对光热响应的超交联聚合物、自具微孔聚合物和多孔离子聚合物也进行了详细的研究总结。最后，POP与其他材料进行复合可以获得多功能、光热转换性能提升的材料以优化其应用特性，如红外吸收能力优异的碳材料，光吸收能力好的金属类材料和半导体材料等。

图三. 光热转换COF的合成及分子结构特征

3.光热转换POP的应用

POP表现出固有孔隙率、低导热性、高光热转换效率以及宏观结构可多样化设计等优势，在太阳能蒸发及海水淡化、光热催化、潜热储存、光疗、和药物递送、防冰除冰等领域具有重要的研究意义（图四-八）。

图四. 光热转换有机多孔材料用于海水淡化

图五. 光热转换有机多孔材料用于光热催化

图六. 光热转换有机多孔材料用于潜热储存

图七. 光热转换有机多孔聚合物用于药物递送与释放

图八. 光热转换有机多孔聚合物用于防冰除冰领域

4.总结和展望

通过微观分子结构设计、后处理和2D/3D的宏观结构设计，多孔有机聚合物光热转换材料在海水淡化、光热催化、生物成像、光疗和载药输送、防冰除冰等领域取得了重要进展。尽管如此，一步合成具有宏观结构的光热转换POP仍然是巨大挑战。此外，未来光热转换材料的发展将扩展到更广泛的应用领域，例如具有高通量水净化能力的光热能量串联转换器、光热致动器等。将太阳能转化为其他能源形式不仅能克服单一光热转换能力的局限性，而且还能改善能源利用效率和应用多样性。

作为一个多学科交叉领域，光热转换POP材料的应用充分体现了太阳能可再生能源转化利用的进步。POP光热转换材料在工业、医药等领域应对全球能源挑战持续发挥重要的作用，将继续为实现高效、节能的目标，为可持续发展做出更多贡献。

感谢国家自然科学基金、国家重点研发计划、长江学者奖励计划、上海市自然科学基金、上海晨光计划、上海市学术研究带头人计划和中央高校基本科研基金的支持。

论文信息：
Y. Shi, Y. Wang, N. Meng, Y. Liao, Photothermal Conversion Porous Organic Polymers: Design, Synthesis, and Applications. Small Methods 2024, 2301554.

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202301554

来源：高分子科学前沿

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