江南大学王潮霞教授团队《Energy Storage Mater.》：一种可视化全太阳能光谱热储存的可穿戴人体热管理织物
分子太阳能热储能（MOST）能够将太阳能储存在分子结构中，再通过外界刺激（光、热等）将太阳能转变为热能释放。偶氮苯基分子太阳能热储能材料大多数只能对UV波段的光吸收，而这部分能量只占太阳能光谱总能量的3%左右，因此如何实现全太阳能光谱利用提高太阳能的利用率仍是一个挑战。
近期，江南大学纺织科学与工程学院王潮霞教授团队提出一种基于分子太阳能储能的全太阳能光谱吸收织物（VSSF），能够有效增加对太阳光谱的利用率。通过将十四烷氧基偶氮苯分子和十四醇相变分子混合，实现对异构能以及相变能的吸收，并且能够同步光控释放两种能量。同时通过分子结合能计算，进一步解释了偶氮苯光控相变材料相变点原理。该团队以织物为基材，在织物上建立闭环全太阳能光谱吸收、转化、储存和释放的系统（图1），太阳能利用率达到4.8%。
图1 （a）UV-vis-NIR 太阳能光谱吸收、储存以及释放系统；（b）UV-vis-NIR反射率光谱；（c）太阳能吸收转化过程。
该工作将VSSF应用于光激发自加热护腕，分别在模拟太阳光（AM1.5，40 mW cm-2）和蓝光（460 nm，40 mW cm-2）下刺激响应发热。这种热的产生归因于偶氮苯分子异构热的释放、相变材料潜热的释放以及纳米铯钨青铜粉光热转化特性。在关闭光源降温过程中，相变材料隔热保温的性能有利于减缓热量的散失（图2）。相对于空白棉织物，在光照400 s内人体体表温度提升4 ℃（达到37.2 ℃）。
图2 （a）光激发自加热护腕表面温度红外热成像仪图像；在蓝光（b）和模拟太阳光（c）刺激下人体体表温度监控曲线；（d）人体表面温度降温曲线。
有趣的是通过调节刺激响应光的强度，可以用于构建一个光热起重器。通过PLA形状记忆材料具有热致形变的性能（响应温度为60 ℃），设计VSSF对PLA进行有效控制形变，而这个形变可以作为一种力将重物抬起。在模拟太阳光（AM1.5，80 mW cm-2）刺激下，充能和未充能状态下VSSF的发热温度不同，分别为65 ℃和55 ℃。因此充能后的VSSF在太阳光刺激下能够激发PLA产生形变回复，从而举起自身3倍重量的物体，实现光热驱动（图3和视频1）。
图3（a）光热起重器示意图；（b）不同光照时间下光热起重器光学照片。
视频1 光热起重器在模拟太阳光下抬起物体过程
该团队通过分析颜色性能（K/S值）与异构程度之间的关系，实现对VSSF储能以及放能过程中可视化监控。在UV光照刺激下，由于偶氮苯的光致异构性能，颜色呈现规律行变化，并且在偶氮苯异构回复过程中，颜色能够“原路返回”。颜色的变化归因于偶氮苯光致变色性能，即偶氮苯顺反异构的比例影响整体颜色的变化。同时偶氮苯异构比例与储能状态成正比例关系，因此通过建立颜色与异构程度的关系，可以快速、直观、实时反映能量的储存状态（图4）。
图4（a）在光照刺激下颜色参数（a*和b*）变化；（b）UV光照下K/S光谱变化；（c）随UV光照和蓝光光照，在450 nm下K/S值变化曲线；（d）K/S值、异构程度以及能量储存关系曲线；（e）颜色循环性能。
该成果以“Wearable solar energy management based on visible solar thermal energy storage for full solar spectrum utilization”为题目发表在《Energy Storage Materials》上，第一作者为江南大学博士研究生费良，江南大学纺织科学与工程学院王潮霞教授和广西科技大学张守峰副研究员为该文章的共同通讯。该工作获得了国家自然科学基金、广西科学技术厅等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.049
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