近年来，随着极端环境下能源利用需求的不断提升，开发高效利用可再生能源技术已经成为该领域的关键技术之一。相变材料由于可以在相态转变过程中实现热量的存储与释放而成为可再生能源利用的重要途径之一。但是，相变材料的相变过程主要依靠环境温度改变，缺乏其他有效的控制手段，因此限制了其在不同温度环境中的能量存储与可控释放。同时，由于分子结构的限制，目前有机相变材料在低温环境下难以保持较高的能量密度和较宽的相变温度区间，使得其在极端环境能量应用领域面临巨大的挑战。近日，天津大学封伟教授团队提出制备了一系列长链烷基偶氮苯掺杂的偶氮苯相变复合材料，进而构建了可在低温下运行的能量循环利用系统。本项工作在分子设计的基础上，合成了具有光致可逆固液相变特性的长链烷基偶氮苯分子，随后与十四烷混合制备得到了光响应有机相变复合材料（Azo/Ted）。偶氮苯的加入为十四烷的相变过程引入了光响应能垒，从而诱导复合材料产生过冷，实现了相变焓和光热能在低温下的存储。同时，在蓝光照射下，存储的这两部分能量可同时释放，从而赋予了相变材料光控热释放性。在此基础上，利用环形器件设计了能量循环利用系统，通过复合材料的光控能量存储、释放及可逆相变，实现了能量的循环利用与定向输出。研究结果表明偶氮苯分子能破坏十四烷相变分子的结晶过程，使得偶氮苯分子转变为液态顺式结构后的结晶温度不断接近十四烷的相变温度。通过调控偶氮苯分子在复合材料中的摩尔含量和异构化程度， 优化分子间相互作用，降低了相变分子的相变温度，使得Azo/Ted能在较宽的温度区间（-1.96 至-6.71 ℃）内实现光热能和相变焓的同时释放，而且能量密度最高可达207.5 J/g。在此基础上，构建了一个高低温交替环境下的能量循环利用系统。结果表明，在低温环境下（-5 ℃），通过光激发诱导复合材料释放所存储的相变焓和光热能，该器件的温度显著提高了4℃，实现了能量的可控输出与循环利用。本研究提出的光控相变复合材料为实现极端环境内的光热能稳定存储及转换提供了可能性。同时，为未来先进能源运输系统的设计和运行开辟了一条新的道路。相关研究成果近期以“Optically-triggered synchronous heat release of phase-change enthalpy and photo-thermal energy in phase-change materials at low-temperatures”为题发表在期刊Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202008496）上，文章第一作者为硕士研究生刘浩，通讯作者为封伟教授，共同通讯作者为冯奕钰教授。图1 相变复合材料在储热/放热过程中的形态及分子结构变化示意图（a）十四烷（Ted）和长链烷基偶氮苯（Azo）的化学结构；（b）在紫外光和蓝光照射下，Azo/Ted分子结构变化及固液相变的示意图。（a）紫外光照射下，偶氮苯分子的紫外-可见光吸收光谱；偶氮苯分子分别处于反式（Z）和顺式（E）的（b）1H NMR谱图、（c）XRD图谱和（d）DSC图谱。（a，c）紫外光（365nm）和（b，d）蓝光（420nm）照射下，Azo/Ted-1和Azo/Ted-3的紫外-可见吸收光谱；（e）不同照射时间下Azo/Ted的异构化程度；（f）十四烷及充能前后的Azo/Ted的XRD图谱。（a）充能前后Azo/Ted的DSC曲线；（b）Azo/Ted的工作温度区间（阴影部分）；（c）不同紫外光照射时间下，Azo/Ted的过冷度；（d）Azo/Ted和Azo在60-140℃之间的DSC放热曲线；（e）Azo/Ted的能量密度以及（f）相变焓和光热能的占比。（a）环形器件封装Azo/Ted的数码照片；（b）能量利用系统的运行示意图；低温条件下，（c）充能后、（d）未充能的Azo/Ted-1 和（e）十四烷分别在蓝光照射下的红外热像图。（a）照射点处温度随照射时间的变化；（b）右侧照射区域的温度梯度；（c）环形器件在蓝光照射过程中左右两侧的温差；（d）循环过程中的温差变化图。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202008496
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