作为储量丰富的可再生能源，高效、清洁、绿色的太阳能在解决全球能源短缺的问题上具有巨大的优势，将太阳能转化为热能和电能的利用备受关注。目前，对太阳能利用较为成熟的方式主要有以下几种：光热转换、光电转换、光生物与光化学转换等，其中光热转换应用最为广泛。所谓光热转换是指吸收太阳光并转换为热量的过程，具有转化形式多样、利用价值高、应用领域广等优点。
利用储量丰富、来源广泛和价格低廉的生物质资源制备光热材料可以改善无机材料成本高昂、生物毒性大、材料相容性差的缺点。木质素分子的π-π堆积相互作用可以促进非辐射迁移和触发光热转换，将木质素转化为光热材料将对解决传统光热材料的可持续性、价格和毒性问题具有重要意义。基于其复杂的三维网状结构，木质素作为绿色载体被广泛应用于改善金属基纳米颗粒的生物相容性和分散性，其网状结构和大量官能团间的静电排斥可以分散和稳定金属纳米粒子，防止其团聚。此外，木质素中的酚羟基官能团可以为金属离子提供配位位点，又可以充当金属纳米粒子的还原剂。
基于以上背景，贵州大学材料与冶金学院谢海波/郭元龙团队以水为绿色溶剂，以来自造纸废液的木质素磺酸盐(LSS)为原料，通过原位还原复合策略发展绿色、高效的新型木质素/聚乙烯醇/金纳米颗粒光热复合膜材料(LSS/PVA@Au)。 系统地揭示了反应过程中LSS/PVA@Au复合薄膜结构特征、表面粗糙度和表面形貌。基于LSS的共轭π-π结构、Au NPs独特的LSPR效应及可调谐的 NIR 区域吸收特性，通过基于塞贝克效应的热电发电机(TEG)，系统研究了该复合膜材料的光热-发电及光热-抗菌性质（图1）。
图1 LSS50/PVA50@Au1复合膜光热发电机理示意图
研究发现复合膜中，LSS的结构上的功能基团对Au3+起到分散、稳定、螯合和还原作用。Au NPs的引入使得LSS50/PVA50@Au1复合膜的表面更加粗糙，平均粗糙度为30.3 nm，但是在紫外到近红外区具有更强更宽的吸收谱带。LSS含量的提高有助于材料光热性能的增强，LSS50/PVA50复合膜的最高温度可升至120.6±3.1 ºC。利用Au NPs的协同光热效应，LSS50/PVA50@Au1复合膜的温度最高可以达到190.1±3.5 ºC，光热转换效率为42.47%。不仅如此，该复合膜材料也具有光热-发电效应，利用TEG可以将吸收的热量转换为电能，在5个太阳光照射下LSS50/PVA50@Au1产生的电压最高为280.8±4.6 mV，电流为48.9±1.9 mA（图2）。
图2 LSS/PVA@Au 复合膜材料的光热发电效应
而由于对近红外光(NIR)良好的光响应性，该复合膜同样具有良好的抗菌性能，在1.47 W/cm2NIR照射10 min后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率可以达到99.5%和99.2%（图3）。总之，本文利用具有π−π共轭结构的LSS与具有LSPR效应的Au NPs 相结合，通过原位共混策略制备出具有光热-抗菌的效果LSS/PVA@Au复合材料可以将储量丰富的、高效、清洁、绿色的太阳能资源转化为可以利用储存的电能。
图3 LSS/PVA@Au 复合膜材料的光热抗菌效应
上述工作以论文形式即将在《高分子学报》印刷出版，通讯作者是贵州大学材料与冶金学院谢海波教授。
引用本文：
郭元龙, 徐同辉, 李合邦, 龙晓琴, 谢海波.具有光热-发电及光热-抗菌效应的木质素基复合膜的制备与研究.高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23286 Guo, Y. L.; Xu, T. H.; Li, H. B.; Long, X. Q.; Xie, H. B.Preparation and study of lignin-based composite films with photothermal-engergy generation and photothermal-antibacterial performances. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23286
原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2023.23286&lang=zh
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