天津大学封伟教授和冯奕钰教授Adv. Funct. Mater. ：可实现低温下相变焓和光热能同步释放的光敏相变复合材料

【引言】

相变材料由于能储存和释放潜热而被广泛应用于可再生能源利用系统。然而，有机相变材料的局限之一是不能在很低的温度下可控地实现储热和放热，尤其是在低于其结晶温度(T_c)的条件下。然而，T_c的进一步降低通常会降低能量密度（ΔH）。为了克服这个局限，光敏分子的引入是一个有效的手段，其能够为相变引入光响应能垒，进而诱导相变材料产生过冷，有效的在低于T_c的温度下实现相变焓和光热能的存储。另外，紫外光充能后的亚稳态光敏分子会显著影响相变分子的结晶，改变两者之间的分子间作用力，从而影响过冷度的大小。因此，如何通过调节分子结构、优化分子间作用力赋予相变材料低温下的能量存储/释放可控性，并实现有机相变材料在较宽温度范围内的能源循环利用是一个巨大的难题。

【成果简介】

近日，天津大学的封伟教授和冯奕钰教授（共同通讯作者）等人制备了一系列光响应有机相变复合材料Azo/Ted。Azo（长链烷基偶氮苯）分子通过插入到Ted中显著影响了相变分子的结晶。通过调节Azo的含量，使得这种材料在储热/放热过程中表现出了可控的过冷状态，并且实现了相变焓和光热能量同步存储与释放。此外，在蓝光的激发下，这种复合材料在相对较低的温度(−1.96至−6.71℃)下可以释放大量的潜热，能量密度最高可达207.5J/g。他们还利用这种材料制备了环形装置，并构建了高低温交替环境下的能量利用系统，实现了能量的可控存储、释放以及定向输送。上述结果表明这种材料具备高能量密度、光控可逆固液相变以及低温光诱导热释放等特点，可用于设计先进的分布式能源系统，为今后极端环境下的能量利用提供了一个新的视角。

【图文导读】

图1.

（a）Ted和Azo的化学结构

（b）在紫外光和蓝光照射下，Azo/Ted固液相变及结构变化示意图

图2.

（a）紫外光照射下，Azo分子的紫外-可见光吸收光谱

Z- Azo（顺式偶氮苯）和E-Azo（反式偶氮苯）的（b）¹H NMR谱图、（c）XRD图谱和（d）DSC曲线

图3.

（a，c）紫外光（365nm）和（b，d）蓝光（420nm）照射下， Azo/Ted-1和Azo/Ted-3的紫外-可见光吸收光谱

（e）不同光照时间下Azo/Ted-1、Azo/Ted-2、Azo/Ted-3和Azo的异构化程度

（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图谱

图4.

（a）Z-Azo/Ted和E-Azo/Ted的DSC曲线

（b）Azo/Ted的放热温度区间（阴影）

（c）Azo/Ted在紫外光照射不同时间下的 ΔT_c

（d）Z-Azo/Ted和Z-Azo在60-140℃之间的DSC放热曲线

Ted、Azo/Ted-1、Azo/Ted-2和Azo/Ted-3 的（e）能量密度以及（f）相变焓和光热能的占比

图5.

（a）环形器件封装 E-Azo/Ted-1的数码照片

（b）分布式能量循环利用系统的运行示意图

（c）Z-Azo/Ted-1、（d）E-Azo/Ted-1和（e）Ted的红外热像图

图6.

（a）照射点处温度随照射时间的变化

（b）右侧照射区域的温度梯度

（c）照射过程中，环形器件左右区域的温差（ΔT_RL）

（d）循环过程中的 ΔT_R

文献链接：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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