天津大学封伟教授与合作者 PPS综述：偶氮聚合物基太阳能热燃料的进展、挑战和机遇

2024-02-08 来源：高分子科技

开发可再生和可持续能源技术以应对日益增长的全球能源需求是新世纪亟需解决的巨大挑战。太阳能是最重要的可再生能源之一，将太阳光有效地转换为其它能量形式具有极其重要的研究价值。目前，已经开发了各种利用太阳能的技术手段，如太阳光电技术、太阳热收集装置以及太阳能热燃料。其中，太阳能热燃料可通过分子光开关的结构转换和键的重排来储存来自太阳辐射的能量，然后以热的形式释放能量。这种封闭循环能够在单一材料系统内实现可逆的太阳能转换和能量存储，具有零排放、可循环以及按需释热等优点。偶氮聚合物因具有光诱导可逆构型转变的N=N分子结构，并展现出易于合成、可回收性高和成型性好的独特优势，被认为是开发分子太阳能热燃料最有前途的候选材料。

基于对偶氮聚合物基太阳能热燃料多年的深入研究，天津大学封伟教授、北京大学于海峰教授、北京科技大学王国杰教授和太原理工大学李文英教授作为共同通讯作者，在高分子领域国际期刊《Progress in Polymer Science》上发表了题为“Azobenzene-Containing Polymer for Solar Thermal Energy Storage and Release: Advances, Challenges, and Opportunities”的综述论文。论文第一作者为太原理工大学师资博士后徐兴堂，该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国博士后科学基金等科研经费支持。

该综述论文全面介绍了偶氮聚合物基太阳能热燃料在光能-化学能-热能循环转换过程中的关键性能指标，如存储能量密度、半衰期、光能转化效率和太阳光谱匹配度等，分析比较了目前广泛研究的四类分子光开关，包括降冰片二烯/四环烷（NBD/QC）、二氢氮杂烯/乙烯基庚二烯（DHA/VHF）、富瓦烯双金属配合物（FvRu₂(CO)₄）和偶氮苯化合物，指出了偶氮聚合物作为太阳能热燃料的独特性能优势，即易于形成均匀平坦、厚度可控的薄膜、大面积放热可行性以及可调控的单体结构和聚合物骨架等。

图1 偶氮聚合物太阳能热燃料的储能与放热示意图

该论文随后系统总结了偶氮聚合物基太阳能热燃料近十年的研究进展，包括偶氮苯化合物/聚合物复合材料、线性偶氮聚合物、树枝状偶氮聚合物和其他类型的偶氮聚合物，重点分析了偶氮聚合物基太阳能热燃料最有前景的优势和现阶段面临的挑战，如存储能量密度有待进一步提升、紫外光依赖的能量存储、热量释放不完全以及太阳光谱匹配度低等。针对该领域面临的挑战，该论文提出了进一步开发偶氮聚合物基太阳能热燃料的新兴策略，如开发新型偶氮基分子光开关或结合共价键来提升存储能量密度、采用电、机械及催化剂等诱导方式来实现系统完全热量释放以及将太阳能热燃料与光热转换材料相结合开发分子储能器件来拓宽太阳光谱匹配度等，旨在促进太阳能热燃料向创新应用发展。

图2 提升偶氮聚合物基太阳能热燃料总体性能的新兴策略

天津大学封伟教授团队长期从事光热能转换存储材料、功能碳复合材料、高导热功能复合材料、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.等国际顶级期刊上发表文章200余篇研究成果，获得国内外授权专利80多件，出版专著2部。封伟教授曾获国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年创新领军人才，第二批天津市杰出人才，天津市“131”创新型团队负责人，英国皇家化学会会士(FRSC)，日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，国务院政府特殊津贴专家。任第七届、第八届教育部科技委委员、中国复合材料学会导热复合材料专委会首任主任委员。以第一获奖人身份获得教育部、天津市等省部级一等奖4项。

论文信息：

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*

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101782

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（责任编辑：xu）

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