天津大學封偉教授和馮奕鈺教授Adv. Funct. Mater. ：可實現低溫下相變焓和光熱能同步釋放的光敏相變復合材料

【引言】

相變材料由于能儲存和釋放潛熱而被廣泛應用于可再生能源利用系統。然而，有機相變材料的局限之一是不能在很低的溫度下可控地實現儲熱和放熱，尤其是在低于其結晶溫度(T_c)的條件下。然而，T_c的進一步降低通常會降低能量密度（ΔH）。為了克服這個局限，光敏分子的引入是一個有效的手段，其能夠為相變引入光響應能壘，進而誘導相變材料產生過冷，有效的在低于T_c的溫度下實現相變焓和光熱能的存儲。另外，紫外光充能后的亞穩態光敏分子會顯著影響相變分子的結晶，改變兩者之間的分子間作用力，從而影響過冷度的大小。因此，如何通過調節分子結構、優化分子間作用力賦予相變材料低溫下的能量存儲/釋放可控性，并實現有機相變材料在較寬溫度范圍內的能源循環利用是一個巨大的難題。

【成果簡介】

近日，天津大學的封偉教授和馮奕鈺教授（共同通訊作者）等人制備了一系列光響應有機相變復合材料Azo/Ted。Azo（長鏈烷基偶氮苯）分子通過插入到Ted中顯著影響了相變分子的結晶。通過調節Azo的含量，使得這種材料在儲熱/放熱過程中表現出了可控的過冷狀態，并且實現了相變焓和光熱能量同步存儲與釋放。此外，在藍光的激發下，這種復合材料在相對較低的溫度(?1.96至?6.71℃)下可以釋放大量的潛熱，能量密度最高可達207.5J/g。他們還利用這種材料制備了環形裝置，并構建了高低溫交替環境下的能量利用系統，實現了能量的可控存儲、釋放以及定向輸送。上述結果表明這種材料具備高能量密度、光控可逆固液相變以及低溫光誘導熱釋放等特點，可用于設計先進的分布式能源系統，為今后極端環境下的能量利用提供了一個新的視角。

【圖文導讀】

圖1.

（a）Ted和Azo的化學結構

（b）在紫外光和藍光照射下，Azo/Ted固液相變及結構變化示意圖

圖2.

（a）紫外光照射下，Azo分子的紫外-可見光吸收光譜

Z- Azo（順式偶氮苯）和E-Azo（反式偶氮苯）的（b）¹H NMR譜圖、（c）XRD圖譜和（d）DSC曲線

圖3.

（a，c）紫外光（365nm）和（b，d）藍光（420nm）照射下， Azo/Ted-1和Azo/Ted-3的紫外-可見光吸收光譜

（e）不同光照時間下Azo/Ted-1、Azo/Ted-2、Azo/Ted-3和Azo的異構化程度

（f）Ted、E-Azo/Ted-1、E-Azo/Ted-2、E-Azo/Ted-3、Z-Azo/Ted-1、Z-Azo/Ted-2和 Z-Azo/Ted-3的XRD圖譜

圖4.

（a）Z-Azo/Ted和E-Azo/Ted的DSC曲線

（b）Azo/Ted的放熱溫度區間（陰影）

（c）Azo/Ted在紫外光照射不同時間下的 ΔT_c

（d）Z-Azo/Ted和Z-Azo在60-140℃之間的DSC放熱曲線

Ted、Azo/Ted-1、Azo/Ted-2和Azo/Ted-3 的（e）能量密度以及（f）相變焓和光熱能的占比

圖5.

（a）環形器件封裝 E-Azo/Ted-1的數碼照片

（b）分布式能量循環利用系統的運行示意圖

（c）Z-Azo/Ted-1、（d）E-Azo/Ted-1和（e）Ted的紅外熱像圖

圖6.

（a）照射點處溫度隨照射時間的變化

（b）右側照射區域的溫度梯度

（c）照射過程中，環形器件左右區域的溫差（ΔT_RL）

（d）循環過程中的 ΔT_R

文獻鏈接：Optically Triggered Synchronous Heat Release of Phase‐Change Enthalpy and Photo‐Thermal Energy in Phase‐Change Materials at Low Temperatures（Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.202008496）

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