近年來，隨著極端環境下能源利用需求的不斷提升，開發高效利用可再生能源技術已經成為該領域的關鍵技術之一。相變材料由於可以在相態轉變過程中實現熱量的存儲與釋放而成為可再生能源利用的重要途徑之一。但是，相變材料的相變過程主要依靠環境溫度改變，缺乏其他有效的控制手段，因此限制了其在不同溫度環境中的能量存儲與可控釋放。同時，由於分子結構的限制，目前有機相變材料在低溫環境下難以保持較高的能量密度和較寬的相變溫度區間，使得其在極端環境能量應用領域面臨巨大的挑戰。
近日，天津大學封偉教授團隊提出製備了一系列長鏈烷基偶氮苯摻雜的偶氮苯相變複合材料，進而構建了可在低溫下運行的能量循環利用系統。本項工作在分子設計的基礎上，合成了具有光致可逆固液相變特性的長鏈烷基偶氮苯分子，隨後與十四烷混合製備得到了光響應有機相變複合材料（Azo/Ted）。偶氮苯的加入為十四烷的相變過程引入了光響應能壘，從而誘導複合材料產生過冷，實現了相變焓和光熱能在低溫下的存儲。同時，在藍光照射下，存儲的這兩部分能量可同時釋放，從而賦予了相變材料光控熱釋放性。在此基礎上，利用環形器件設計了能量循環利用系統，通過複合材料的光控能量存儲、釋放及可逆相變，實現了能量的循環利用與定向輸出。
研究結果表明偶氮苯分子能破壞十四烷相變分子的結晶過程，使得偶氮苯分子轉變為液態順式結構後的結晶溫度不斷接近十四烷的相變溫度。通過調控偶氮苯分子在複合材料中的摩爾含量和異構化程度， 優化分子間相互作用，降低了相變分子的相變溫度，使得Azo/Ted能在較寬的溫度區間（-1.96 至-6.71 ℃）內實現光熱能和相變焓的同時釋放，而且能量密度最高可達207.5
J/g。在此基礎上，構建了一個高低溫交替環境下的能量循環利用系統。結果表明，在低溫環境下（-5 ℃），通過光激發誘導複合材料釋放所存儲的相變焓和光熱能，該器件的溫度顯著提高了4℃，實現了能量的可控輸出與循環利用。
本研究提出的光控相變複合材料為實現極端環境內的光熱能穩定存儲及轉換提供了可能性。同時，為未來先進能源運輸系統的設計和運行開闢了一條新的道路。相關研究成果近期以「Optically-triggered synchronous heat release of phase-change enthalpy and photo-thermal energy in phase-change
materials at low-temperatures」為題發表在期刊Advanced Functional Materials（DOI:
10.1002/adfm.202008496）上，文章第一作者為碩士研究生劉浩，通訊作者為封偉教授，共同通訊作者為馮奕鈺教授。
圖文導讀
圖1 相變複合材料在儲熱/放熱過程中的形態及分子結構變化示意圖
（a）十四烷（Ted）和長鏈烷基偶氮苯（Azo）的化學結構；（b）在紫外光和藍光照射下，Azo/Ted分子結構變化及固液相變的示意圖。
圖2 長鏈烷基偶氮苯的基本性質
（a）紫外光照射下，偶氮苯分子的紫外-可見光吸收光譜；偶氮苯分子分別處於反式（Z）和順式（E）的（b）1H NMR譜圖、（c）XRD圖譜和（d）DSC圖譜。
圖3 相變複合材料的異構化行為
（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-可見吸收光譜；（e）不同照射時間下Azo/Ted的異構化程度；（f）十四烷及充能前後的Azo/Ted的XRD圖譜。
圖4 相變複合材料的熱性能
（a）充能前後Azo/Ted的DSC曲線；（b）Azo/Ted的工作溫度區間（陰影部分）；（c）不同紫外光照射時間下，Azo/Ted的過冷度；（d）Azo/Ted和Azo在60-140℃之間的DSC放熱曲線；（e）Azo/Ted的能量密度以及（f）相變焓和光熱能的占比。
圖5 能量利用系統示意圖及溫度變化
（a）環形器件封裝Azo/Ted的數碼照片；（b）能量利用系統的運行示意圖；低溫條件下，（c）充能後、（d）未充能的Azo/Ted-1 和（e）十四烷分別在藍光照射下的紅外熱像圖。
圖6 環形器件的性能表征
（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）環形器件在藍光照射過程中左右兩側的溫差；（d）循環過程中的溫差變化圖。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202008496
來源：高分子科學前沿
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