【期刊】偶氮苯光化学晶液相转变用于低品位环境热的转换和存储

An azobenzene based photothermal energy storage system for co-harvest photon energy and low-grade ambient heat by photoinduced crystal-to-liquid transition 

董立奇，翟飞，王慧，彭聪，冯奕钰，封伟^*

近日，天津大学封伟教授团队在Energy Materials发表研究论文，利用偶氮苯分子可逆光致固液相变特性巧妙地将光化学储热和热物理储能结合起来，实现了光诱导的低品位环境热转换升级。第一作者：董立奇，天津大学材料学院，浙江树人大学交叉科学研究院。

导读

室温或略高于室温的环境热量是一种无处不在的、取之不尽的能量源泉，但由于其难以收集利用而一直被人们所忽视。具有可逆光致固液相变的偶氮苯分子同时具有分子太阳能光储热材料和相变材料的特性，可以同步收集光能和环境热能，并将这些能量转化为高温可利用的热能释放。这为能量转换和储存提供了新的视野。

图文分析

为了实现光致相变，偶氮苯分子必须在反式和顺式异构体之间具有较大的熔点差。研究显示，在偶氮苯分子一侧的苯环上接枝官能团会破环分子的对称性，从而导致异构体之间较大的熔点差。通过DFT计算发现，单侧功能化的偶氮苯分子的顺式构型极性明显高于反式构型（图1），而这种高极性有效地破坏了芳族基团之间的π-π相互作用，进而降低了它们堆积和形成有序晶体的能力，最终导致顺反异构体产生了较大的熔点差。

图1 （A）偶氮苯光热材料的结构和可逆顺反光异构化反应；（B）偶氮苯分子的偶极矩计算

该团队研发的偶氮苯材料可以在室温光照条件下发生光致相变现象，在18分钟内从橙黄色晶体粉末变为红橙色液体。此时顺式异构体含量为 92%（图 2）。这接近稀释溶液中可达到的最高水平 (91%-96%)。这说明该材料的光致相变过程具有相当高效的反式—顺式光异构化程度，使得能量收更加有效并且产生高能量密度。

图2. 偶氮苯光热材料的充热过程

在能量密度测试阶段发现每个偶氮苯化合物都有两个独立的放热峰（图3）。其中，加热曲线上较宽的放热峰是热诱导的顺式—反式异构化产生的，这部分能量来自充热过程中捕获的光子能量；冷却曲线上尖锐的放热峰是液—固结晶过程产生的，这部分能量来自充热过程中从周围环境收集的低品位热能。这种偶氮苯分子通过光之固液相变特性收集并存储了难以利用的环境热量，而同时也不会损害光能的储存能力，使得光能和环境热共同收集并存储，最终产生高的储能能量密度。

图3.偶氮苯光热材料的能量密度测试

图4是光诱导顺式液体→反式晶体相变的演示实验。顺式液体薄膜左侧被铝箔覆盖，右侧暴露于波长为420-nm光辐照中。经过一段时间后，未暴露于波长为420-nm光照下的薄膜仍然是液体状态，而暴露于波长为420-nm光辐照下的另一半薄膜结晶，并且通过光学显微镜可以看到其独特的晶体特征。另外，在光学显微镜中也可以看到固相和液相之间具有清晰的边界。说明热释放的时间和空间控制可以通过波长为420-nm的光激发来实现。最后，通过红外热像仪监测了已充热的光热薄膜放热情况。如图5所示，当已充热的光热燃料样品暴露于波长为420-nm的光辐照下时，样品的温度会迅速升高，直至达到最高温度，表明储存的光子能量和环境热量已完全释放。之后，样品温度通过向周围环境散热而缓慢降低。

图4 偶氮苯光热材料的光激发相变演示实验和热释放性能演示

展望

基于光致固液相变技术的光热储能不是简单的光化学储能与物理相变储热的结合，在能量捕获与释放的过程中光能和热能这两股能量互相配合，共同促进，材料所能达到的能量密度超越了单一的光储能与热储能系统。由于光能的参与，所储存的室温低品位热能可以释放为可利用的高品位热能，这实际上提出了一种可再生能源的新模型，即环境热能的光诱导转换升级。

基金支持

国家自然科学基金重点项目（No.52130303；No.51633007）国家自然科学基金面上项目（No. 51973151; No. 51973152; No. 51803151; No. 51773147）

通讯作者介绍

封伟教授

主要研究领域：功能有机碳复合材料

天津大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，入选国家人才计划，国务院政府特殊津贴专家，第二批天津市杰出人才，首批天津市“131”创新团队负责人，教育部新世纪优秀人才，中国复合材料学会导热复合材料专业委员会首任主任。长期从事碳纳米材料的可控生长、表面功能化及其复合材料的制备、微观结构调控、力学和导热性能研究，在碳基三维导热网络、弹性导热复合材料及界面传热理论等领域取得了多项研究成果，在Chemical Society Review、Nature Communications、Advanced Materials等国际学术期刊上发表SCI论文214篇，授权中国发明专利62项，美国发明专利3项，国防专利3项。相关研究成果分别获得2020年教育部技术发明一等奖，2017年和2015年两次获得天津市技术发明一等奖，2011年和2007年两次获得天津市自然科学二等奖。

Email：[e-mail]

引用此文

Dong L, Zhai F, Wang H, Peng C, Feng Y, Feng W. An azobenzene based photothermal energy storage system for co-harvest photon energy and low-grade ambient heat by photoinduced crystal-to-liquid transition. Energy Mater 2022;2:[Accept]. http://dx.doi.org/10.20517/energymater.2022.26

---

推荐阅读

【期刊】苏州大学高立军教授Energy Materials：一种钼酸锂复合碳纳米纤维的锂电池负极材料  >>【期刊】Cyborg and Bionic Systems |沈阳自动化所团队新突破：基于动态电刺激的“仿蝠鲼类生命机器人”>>【期刊】《储能科学与技术》推荐|曾伟 等：基于权重自适应鲸鱼优化算法的多能系统储能电站最优配置  >>

蔻享学术 平台介绍

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

识别二维码，

下载 蔻享APP  查看最新资源数据。

点击阅读原文，查看更多精彩报告！