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  為了應對現階段能源危機和環境問題，尋找清潔可再生能源是解決能源和環境問題的關鍵。光能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，將光能進行轉化和存儲利用是解決能源問題的關鍵。  

  太陽熱燃料可實現對光熱能的穩定存儲和循環利用，是實現空間熱管理系統的重要能源之一。偶氮苯由于其異構化可調控和可逆性好的特點，是一種具有良好光響應性的分子。但偶氮基光熱存儲材料受其分子結構的限制，導致其存在能量密度低、放熱速率慢和異構化程度低等缺點，限制了在光熱存儲材料領域的應用。

  針對固態太陽熱燃料放熱速率慢的問題，近日天津大學材料科學與工程學院封偉教授團隊將咪唑雜環引入到偶氮分子中，制備了一種具有低溫快速熱釋放功能的雜環偶氮基雜化材料（i-Azo-h/rGO），并實現了熱加密/解密的應用。

圖1. i-Azo-h/rGO順式和反式結構及其“烏龜”狀光熱膜

  該團隊設計利用推拉電子結構，增加分子的異構化速率，實現光熱材料的快速熱釋放。引入咪唑雜環，引入了氫鍵，降低分子量，同時結合還原氧化石墨烯（rGO）模板增強分子間相互作用，增加了穩定性（光熱膜半衰期為12 days）及儲熱密度（能量密度為105 Wh/kg）。

  i-Azo-h/rGO具有低溫快速熱釋放性質，黑暗條件下的一階動力學常數為=1.28×10^-6s^-1，功率密度可達2380 W/kg，分別比沒有氫鍵的偶氮基雜化材料和有氫鍵但放熱速率慢的偶氮基雜化材料高44.2%和178.0%。通過對其光熱膜在不同誘導條件和不同充熱程度下進行熱釋放監測，探索了放熱規律。如何實現低溫下快速集中放熱是實現具有較強環境適應性的熱管理及關鍵區域溫度的控制的關鍵。

圖2. “烏龜”狀i-Azo-h/rGO光熱膜放熱過程的溫度變化。“烏龜”狀光熱膜在（a）45°C，（b）60°C和（c）綠光（535nm，80Wcm^-2）環境下的示意圖及其熱釋放過程的IR圖像）。（d）在不同條件下熱釋放誘導的膜的溫差-時間擬合曲線。（e）在不同溫度下薄膜的最大溫差ΔT_max和所需時間t_c。

  以具有快速熱釋放功能的光熱膜為基礎，團隊將光熱存儲材料應用在“密鑰”功能實現。將熱致變色顏料與光熱材料結合，通過控制光熱存儲材料的放熱量來實現熱致變色顏料的顏色變化，進而實現對信息的加密和解密（“密鑰”）。將變色顏料（變色溫度為62℃）繪制“888”，下面放置光熱膜，對特定區域下的光熱膜進行充熱，完成加密過程；放置在一定溫度（60℃）下，光熱膜的熱量被釋放，使得變色顏料發生變色，顯示“986”。熱量釋放完全之后，再次充熱使用，如圖3（a）所示，變色顏料顯示“405”。該可逆循環利用的顯示技術實現了解密的雙重響應（溫度和時間），為未來實現新型信息加密提供了設計思路。

圖3. i-Azo-h/rGO光熱膜結合熱致變色油墨的信息編碼/讀數顯示。（a）在特定區域對膜（用UV光照射）的選擇性充熱（加密），在62℃下熱釋放，實現“888”到“986”的解密顯示。放熱后，再次充熱放熱后還可以顯示“405”。基于可逆充放熱來加密/解密信息。（b）實現在綠光（535nm，80WWcm^-2）照射下讀取“黑色”或“紅色”。（c）基于熱釋放的光熱膜的雙重加密/解密（時間和溫度）。

  相關研究成果近期以“Solid-State High-Power Solar Heat Output of 4-((3,5-Dimethoxyaniline)- diazenyl)2-imidazole/graphene Film for Thermally Controllable Dual Data Encoding/Reading”為題發表在Energy Storage Materials期刊

（DOI:10.1016/j.ensm.2019.06.005）上，第一作者為碩士研究生閻清海，通訊作者為天津大學封偉教授和馮奕鈺教授。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.06.005