中国海洋大学徐晓峰教授课题组《AFM》：点击凝胶实现高效水下粘附和漂浮式光伏效率提升

在水和海洋环境中，粘合剂对于水下修复、软水下机器人、水下通信、生物医学和组织修复等应用是不可或缺的。然而，在高湿度环境中，物体表面形成水合层，固体附着力显著降低。在过去几十年中，水下粘合剂的设计主要源于邻苯二酚化学和仿生微观结构。然而，许多仿生儿茶酚衍生物（胶水型水下粘合剂）需要缓慢的固化过程进行凝胶化。此外，其水下附着力本质上容易受到氧化、pH变化和预处理表面的影响，这会破坏水下粘合剂的坚固性和可靠性。

图1点击凝胶的双网络结构、物理性能、水下粘附和漂浮式光伏能量应用

为了解决以上问题，徐晓峰教授课题组近期在国际顶尖材料期刊《 Advanced Functional Materials》发表了题为“Design of Double-Network Click-Gels for Self-Contained Underwater Adhesion and Energy-Wise Applications in Floating Photovoltaics”《点击化学构筑双网络凝胶实现高效水下粘附和节能漂浮式光伏》的研究成果（2022, 2201919）。本项研究利用“点击化学”反应快速地合成了一系列具有双网络结构的聚合物凝胶，在不同的水环境和不同的水下物体表面实现了高效和稳定的粘附，利用在漂浮式光伏系统中水/空气界面的粘附结构设计而产生的“被动制冷”效应，实现了漂浮式光伏器件光/电能量转换效率的显著提升。本论文的通讯作者是中国海洋大学材料学院徐晓峰教授和英国剑桥大学Petri Murto博士，第一作者是中国海洋大学材料学院博士生王淑雪同学。

图2凝胶中单体和聚合物的化学结构和凝胶的制备

我们利用疏水性的丙烯酸-2-苯氧基乙酯（PEA），亲水性的2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPS）和1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐（[BVIM][Br]）合成了PIL聚合物，并引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和季戊四醇四-3-巯基丙酸酯（PETMP）采用点击化学的方法在常温下快速制备双网络点击凝胶。PIL通过咪唑盐和均苯四甲酸（BTCA）离子交联，形成非共价键网络，PEGDA与PETMP通过巯基烯点击反应形成共价键网络。

图3界面相互作用、界面含水层的去除和界面水扩散

与儿茶酚的粘附机理不同，点击凝胶的水下粘附机制是：凝胶中PIL和PEGDA作为吸湿组分在水下粘附时能够吸收界面水，消除水合层的影响，并为点击凝胶的快速凝胶化提供丰富的官能团；然后点击凝胶含有丰富的官能团和键合位点，负责各种界面相互作用，比如氢键、静电相互作用、偶极-偶极、离子- π和范德华相互作用，各种界面作用力协同实现水下粘附，粘接强度超过0.84 MPa。

图4漂浮式光伏系统示意图、光伏性能表征和振动诱导阻抗响应测试。

本项研究中，我们开发了与新能源领域相关的水下粘附材料新应用，通过漂浮式光伏系统中水/空气界面的粘附结构设计，产生了被动制冷效应，实现了漂浮式光伏光电能量转换效率的稳定提升（约20%），超过了几种传统的光伏系统结构。同时，利用凝胶本身的离子导电性实现了漂浮式光伏平台对多类振荡运动的快速传感。

近年来，徐晓峰教授课题组围绕着太阳能的综合利用，在高效率光/电和光/热转换材料与智能器件领域开展了一系列研究工作。部分研究成果陆续发表在 Adv. Funct. Mater. (2022, 2201919), Chem. Eng. J (2022, 431, 134144), J. Mater. Chem. A (2022, 10, 8556), Small (2022, 2107811), Adv. Funct. Mater. (2021, 31, 2104464;2021, 31, 2008681), Nano Energy (2020, 77, 105111), J. Mater. Chem. A (2021, 9, 9692;2021, 9, 21197;2020, 8, 24664), Chem. Eng. J (2021, 417, 128051), ACS Appl. Mater. Interfaces (2021, 13, 23993)等国际顶尖的材料和能源类期刊上。相关工作获得英国剑桥大学、中国海洋大学材料科学与工程学院、化学化工学院和海洋生命学院多位合作教授的支持和协助。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202201919

来源：高分子科学前沿

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