通过协同优化quinoid-供体-受体聚合物中的吸收和非辐射衰减过程，在太阳能热应用中实现了创纪录的太阳能到蒸汽的转换效率

《Aggregate》：Record-High Solar-to-Vapor Generation Efficiency via Synergistic Optimization of Absorption and Nonradiative Decay in Quinoid–Donor–Acceptor Polymers for Solar–Thermal Applications

本研究开发了一种新型Q-D-A结构聚合物PAQM-TBz，通过引入quinoid单元实现宽带近红外吸收（400-1500 nm）和高效非辐射衰变，光热转换效率达80.6%，在太阳能蒸发中实现97.3%的太阳能-蒸汽效率，蒸发速率1.41 kg/m2·h，热电输出电压126.1 mV，为有机光热材料提供新设计范式。

　　在当前全球人口迅速增长和生活水平不断提高的背景下，淡水资源短缺与能源危机已成为制约可持续发展的重要挑战。太阳能作为一种丰富且可再生的能源，因其在太阳能-热能转换领域的巨大潜力而受到广泛关注，尤其是在海水淡化和热电发电等应用中。然而，现有的太阳能-热能转换材料在吸收范围和热能转换效率方面仍存在局限，这限制了其在实际应用中的广泛推广。因此，开发一种能够同时实现宽谱吸收与高效非辐射热能转换的材料成为研究的重点。

为了突破这一瓶颈，本研究提出了一种全新的分子设计策略——基于喹啉（Q）-供体（D）-受体（A）结构的聚合物。这种设计策略通过将喹啉单元引入传统的供体-受体（D–A）聚合物骨架中，实现了材料性能的显著提升。研究团队设计并合成了一种新型聚合物PAQM-TBz，其表现出更强的骨架平面性、更显著的π-π相互作用以及更明显的二自由基特性，相较于其传统的D–A结构同系物P2T-TBz，PAQM-TBz在吸收范围和热能转换效率方面均实现了显著优化。这种材料能够在808纳米激光照射下达到80.6%的热能转换效率，几乎是P2T-TBz的两倍。在模拟阳光照射下，PAQM-TBz实现了高达97.3%的太阳能-蒸汽转换效率，蒸发速率为1.41千克每平方米每小时，这是目前所有类型的太阳能-热能转换材料中报道的最高值。此外，PAQM-TBz在热电模块中能够产生126.1毫伏的峰值电压，并达到0.88瓦每平方米的出色功率密度，同时在集成的水-电协同生产系统中，能够维持1.28千克每平方米每小时的蒸发速率和95.8毫伏的输出电压，其性能在有机材料中名列前茅。

这种基于Q–D–A结构的材料设计策略不仅提升了太阳能-热能转换效率，还实现了高效的热电能转换。PAQM-TBz的成功合成与性能验证表明，这种材料具备出色的热稳定性，其分解温度达到375摄氏度（5%重量损失），远超大多数太阳能-热能转换应用所需的温度范围。在实际应用测试中，PAQM-TBz能够在自然光线下持续运行，并在不同光照强度下表现出良好的性能。例如，在模拟阳光照射下，其能够实现稳定的水蒸发速率和较高的电压输出，甚至能够驱动小型风扇和发光二极管（LED），这充分展现了其在低功率能源应用中的潜力。

此外，研究团队还对PAQM-TBz的结构特性进行了深入分析，包括其分子排列、电子结构和光物理性质。通过理论计算和实验手段，研究发现PAQM-TBz的骨架平面性增强，促进了更紧密的π-π相互作用，从而提升了材料的非辐射热能释放效率。同时，其二自由基特性增强，有助于降低带隙并扩展吸收范围，使得材料能够更有效地吸收太阳能。在实验中，通过红外热成像和光谱分析，PAQM-TBz在808纳米激光照射下表现出更快的温度上升速度和更高的热响应性，这进一步证明了其优异的热能转换性能。

在太阳能-热能-电能转换系统中，PAQM-TBz与商用热电模块结合，实现了高效的热电能量转换。通过模拟太阳光照，该材料能够产生高达126.1毫伏的电压输出，这在有机材料中属于领先水平。同时，其在水-电协同生产系统中也表现出色，能够同时实现水的蒸发和电能的生成，且性能损失较小。这种材料不仅适用于太阳能-热能转换，还展现出在热电发电和海水淡化等领域的广泛应用前景。

PAQM-TBz的优异性能源于其独特的分子结构设计。该材料通过将喹啉单元引入供体-受体结构中，实现了对吸收范围和热能转换效率的双重优化。这种设计策略不仅提升了材料的光吸收能力，还通过增强非辐射热能释放路径，提高了能量转换效率。此外，PAQM-TBz在合成过程中表现出良好的可溶性和可加工性，使其能够适用于多种实际应用场景，如薄膜制备和复合材料的构建。

本研究的成果不仅为太阳能-热能转换材料的设计提供了新的思路，还为未来在水-电协同生产、海水淡化和低功率能源应用中的材料开发奠定了基础。通过优化分子结构，PAQM-TBz在不依赖复杂系统设计的情况下，实现了高效的太阳能利用。这种材料的开发和应用，标志着有机太阳能-热能转换技术迈向了一个新的阶段，同时也为可持续能源和环境保护提供了重要的技术支持。