太陽熱能的直接利用技術是顛覆現有空間極端環境熱能利用模式，構建“太空溫室”系統的核心技術之一。天津大學封偉教授研究團隊從2005年開始圍繞“基于分子可逆轉變的太陽熱能循環利用技術” 開展了一系列開創性工作，并首次提出將可實現太陽熱能直接利用的材料技術應用于構建未來空間極端環境的熱控系統。

近日，天津大學封偉教授和馮奕鈺研究員再次在光熱溫度控制領域取得重要研究進展，成功制備了集太陽熱吸收、穩定存儲與可控輸出于一體的偶氮苯/石墨烯雜化燃料膜，通過控制熱能的輸出功率，實現了太陽熱能的循環利用和溫度的精確控制，為未來設計空間極端環境的熱控系統提供了重要的技術支撐。該研究成果以“Efficient cycling utilization of solar-thermal energy for thermochromic displays with controllable heat output”為題在線發表于國際期刊Journal of Materials Chemistry A上。

實現太陽熱能循環利用的關鍵是設計并制備兼具高能、長效存儲與可控釋放功能的太陽熱燃料。光致變色分子因能發生可逆的異構化轉變而成為太陽熱燃料的重要潛在分子之一。盡管目前已經報道了一些光熱燃料，但由于分子能級差與回復勢壘相互制約，如何通過分子設計實現高能量存儲與快速熱釋放，如何優化激勵誘導方式，達到提高輸出功率進而精確控制體系溫度的目標仍然面臨巨大的挑戰。

封偉教授研究團隊在前期分子設計與功能實現（Chem. Soc. Rev. 2018, DOI: 10.1039/C8CS00470F）研究基礎上，設計并合成了三枝磺酸偶氮苯接枝石墨烯雜化材料作為核心太陽熱燃料。通過控制接枝密度（1：60-70）和空間構型，形成多個分子內/間氫鍵作用，大幅提高了分子異構體的能級差；并提出控制異構化程度提高光熱存儲容量的關鍵技術，使得太陽熱燃料的能量密度達到150.3 Wh/kg（圖1），比對應的雙枝（131Wh/kg）和單枝分子（75 Wh/kg）分別高14%和100%。同時，分子內的空間位阻提高了存儲穩定性，其半衰期可達50天以上，實現了高能量與穩定存儲的兼顧。

圖1. 偶氮苯/石墨烯雜化燃料的能量密度、存儲穩定性與功率密度

燃料分子對太陽熱可逆循環利用是實現溫度控制的重要前提。針對固態燃料放熱速率慢的問題，研究人員通過優化激勵誘導方式，實現了偶氮苯/石墨烯太陽熱燃料雜化膜的快速熱釋放；并通過控制熱能的輸出功率，實現了溫度在2-7℃范圍內的精確控制，使得熱致變色裝置發生可逆的顏色轉變（圖2），達到穩定提供太陽熱能的目標。研究顯示，雜化燃料膜的光熱利用率可達10.2%，并且在低溫（0℃）下存儲超過30天，其利用率仍可達9.1%。該研究成果為未來設計并構建“太空溫室”系統的熱控涂層提供了重要的技術支撐。

圖2.（a）熱致變色裝置及其（b）溫度可逆變化圖

該研究成果近日發表于Journal of Materials Chemistry A（2018, DOI: 10.1039/C8TA05333B），第一作者是楊偉翔碩士，通訊作者是封偉教授和馮奕鈺研究員，該工作得到了國家杰出青年基金、國家重點研發計劃和國家自然科學基金重點項目的支持。

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA05333B#!divAbstract

來源：高分子科學前沿