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天津大學封偉教授與合作者 PPS綜述：偶氮聚合物基太陽能熱燃料的進展、挑戰(zhàn)和機遇

2024-02-08 來源：高分子科技

開發(fā)可再生和可持續(xù)能源技術以應對日益增長的全球能源需求是新世紀亟需解決的巨大挑戰(zhàn)。太陽能是最重要的可再生能源之一，將太陽光有效地轉換為其它能量形式具有極其重要的研究價值。目前，已經(jīng)開發(fā)了各種利用太陽能的技術手段，如太陽光電技術、太陽熱收集裝置以及太陽能熱燃料。其中，太陽能熱燃料可通過分子光開關的結構轉換和鍵的重排來儲存來自太陽輻射的能量，然后以熱的形式釋放能量。這種封閉循環(huán)能夠在單一材料系統(tǒng)內實現(xiàn)可逆的太陽能轉換和能量存儲，具有零排放、可循環(huán)以及按需釋熱等優(yōu)點。偶氮聚合物因具有光誘導可逆構型轉變的N=N分子結構，并展現(xiàn)出易于合成、可回收性高和成型性好的獨特優(yōu)勢，被認為是開發(fā)分子太陽能熱燃料最有前途的候選材料。

基于對偶氮聚合物基太陽能熱燃料多年的深入研究，天津大學封偉教授、北京大學于海峰教授、北京科技大學王國杰教授和太原理工大學李文英教授作為共同通訊作者，在高分子領域國際期刊《Progress in Polymer Science》上發(fā)表了題為“Azobenzene-Containing Polymer for Solar Thermal Energy Storage and Release: Advances, Challenges, and Opportunities”的綜述論文。論文第一作者為太原理工大學師資博士后徐興堂，該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和中國博士后科學基金等科研經(jīng)費支持。

該綜述論文全面介紹了偶氮聚合物基太陽能熱燃料在光能-化學能-熱能循環(huán)轉換過程中的關鍵性能指標，如存儲能量密度、半衰期、光能轉化效率和太陽光譜匹配度等，分析比較了目前廣泛研究的四類分子光開關，包括降冰片二烯/四環(huán)烷（NBD/QC）、二氫氮雜烯/乙烯基庚二烯（DHA/VHF）、富瓦烯雙金屬配合物（FvRu₂(CO)₄）和偶氮苯化合物，指出了偶氮聚合物作為太陽能熱燃料的獨特性能優(yōu)勢，即易于形成均勻平坦、厚度可控的薄膜、大面積放熱可行性以及可調控的單體結構和聚合物骨架等。

圖1 偶氮聚合物太陽能熱燃料的儲能與放熱示意圖

該論文隨后系統(tǒng)總結了偶氮聚合物基太陽能熱燃料近十年的研究進展，包括偶氮苯化合物/聚合物復合材料、線性偶氮聚合物、樹枝狀偶氮聚合物和其他類型的偶氮聚合物，重點分析了偶氮聚合物基太陽能熱燃料最有前景的優(yōu)勢和現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)，如存儲能量密度有待進一步提升、紫外光依賴的能量存儲、熱量釋放不完全以及太陽光譜匹配度低等。針對該領域面臨的挑戰(zhàn)，該論文提出了進一步開發(fā)偶氮聚合物基太陽能熱燃料的新興策略，如開發(fā)新型偶氮基分子光開關或結合共價鍵來提升存儲能量密度、采用電、機械及催化劑等誘導方式來實現(xiàn)系統(tǒng)完全熱量釋放以及將太陽能熱燃料與光熱轉換材料相結合開發(fā)分子儲能器件來拓寬太陽光譜匹配度等，旨在促進太陽能熱燃料向創(chuàng)新應用發(fā)展。

圖2 提升偶氮聚合物基太陽能熱燃料總體性能的新興策略

天津大學封偉教授團隊長期從事光熱能轉換存儲材料、功能碳復合材料、高導熱功能復合材料、高性能氟化碳材料方向研究，已在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.等國際頂級期刊上發(fā)表文章200余篇研究成果，獲得國內外授權專利80多件，出版專著2部。封偉教授曾獲國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、國家杰出青年科學基金獲得者，科技部中青年創(chuàng)新領軍人才，第二批天津市杰出人才，天津市“131”創(chuàng)新型團隊負責人，英國皇家化學會會士(FRSC)，日本JSPS學術振興委員會高級訪問學者，國務院政府特殊津貼專家。任第七屆、第八屆教育部科技委委員、中國復合材料學會導熱復合材料專委會首任主任委員。以第一獲獎人身份獲得教育部、天津市等省部級一等獎4項。

論文信息：

Azobenzene-Containing Polymer for Solar Thermal Energy Storage and Release: Advances, Challenges, and Opportunities

Xingtang Xu, Jie Feng, Wen-Ying Li, Guojie Wang*, Wei Feng*, Haifeng Yu*

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101782

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（責任編輯：xu）

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