浙江树人学院董立奇/西湖大学刘剀/天津大学封伟教授团队 Small：一种新型偶氮苯基光热织物可用于可穿戴热管理

2024-09-18 来源：高分子科技

偶氮苯偶氮苯（azo）基光热储能系统（MOST）因其在太阳能转换和储存方面的潜力引起了人们的极大兴趣。但由于储能过程依赖溶剂和特定波长的光源（通常为365 nm紫外光）、储存寿命短（从几分钟到几天不等）、能量释放时达到的温度水平较低（2~30℃）、在寒冷环境下热释放性能受限、刚性强和可穿戴性能差等缺陷限制了其实际应用。

近日，浙江树人学院交叉科学研究院董立奇老师联合西湖大学刘剀教授团队和天津大学封伟教授团队通过采用静电纺丝技术，将具有光致固液相变特性的偶氮苯单体与商用聚丙烯腈织物复合，开发出一种新型的偶氮苯基光热织物。这种织物在可见光范围内具有高效的光诱导储热（绿光）和放热（蓝光）性能、储-放热过程无溶剂操作、能量可长期储存（706天），并且在室温和寒冷环境下能够释放高达85~94°C的热量（图1）。此外，织物在1500次弯曲循环、18小时洗涤或6小时浸泡后保持了较高的柔韧性，储热-放热性能也没有明显损失。该研究显示，该织物在热释放阶段产生的高温热量是由偶氮苯单体Z-to-E异构化能量、液-固相变潜热和420 nm光辐照产生的光热效应协同放热大的结果。同时，可以通过调节光辐照强度来控制热释放时候的温度高低，以进行热管理。最后证明了该光热织物在室温热疗和低温保暖方面的实际适用性，为可穿戴个人热管理提供了一个有前景的候选者。该工作以“An innovative azobenzene-based photothermal fabric with excellent heat release performance for wearable thermal management device”为题发表在《Small》上（https://doi.org/10.1002/smll.202404310）。文章第一作者是西湖大学学生吴煜栋。该研究得到国家自然科学基金、国家大学生创新创业训练计划（国创计划）、山东省先进材料与绿色制造烟台实验室开放课题以及浙江树人学院人才引进计划的支持。

图1 新型偶氮苯基光热织物的优异性能

该工作是近期偶氮苯光热储能材料在实际应用方面的最新进展之一，具有绿色和可扩展的制备工艺、出色和可控的储、放热性能以及优异的可穿戴性能。其中，四邻位氟原子的引入赋予偶氮苯单体在可见光范围内高效的光储热和放热优势；对位长烷基链的引入赋予偶氮苯分子具有光诱导可逆固液相变的特性，使得储热不再依赖溶剂辅助（图2）。得益于偶氮苯单体和聚丙烯腈织物模板之间较大的空间位阻和分子间相互作用，光热织物表现出超长的储能寿命和良好的循环稳定性（图3）。获得的偶氮苯光热织物保留了聚丙烯腈固有的耐候性和耐日晒性，并增强了其疏水性和柔韧性，有助于材料的可穿戴性能（图4）。凭借上述优势，该织物为存储和利用太阳能用于个人热管理和医疗治疗应用开辟了一条可持续和高效的途径，也是按需环境中能源管理和热控制的有前景的替代品。

图2 偶氮苯单体的分子结构和光诱导可逆固液相变行为。a)偶氮苯分子的E和Z构型；b)不同波长光照下偶氮苯单体的紫外-可见光光谱；在520 nm (c)和420 nm (d)光辐照下，偶氮苯的异构体组成随辐照时间的变化曲线；e-g)在520 nm光储热和420 nm光照放热后，偶氮苯单体的光学显微镜图像、数码图像和¹H NMR光谱。

图3 偶氮苯基光热织物的制备(a)、组成成分(b)、SEM图像(c-e)、光异构化性质(f)、热动力学(g)以及已报道不同类型的偶氮苯基光热储能材料的半衰期比较(h)。

图4 织物的可穿戴性测试：a-b)织物的储热-放热循环性；c)织物的弯曲性能；d-f)织物的疏水性表征；g)织物经过不同时间持续洗涤后进行热释放的最高温度；h) 织物经过不同时间浸泡后进行热释放的最高温度。

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202404310

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（责任编辑：xu）

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