基于偶氮苯-三维碳/聚合物双体系的分子级太阳能储能材料及器件研究

Molecular solar storage, a novel technology of solar energy storage and conversion based on the photo-isomerization of organic molecules, is regarded as a closed-cycle system that only transfers energy from and to the environment. However, there are some drawbacks of existing molecular solar storage materials, such as low storage capacity, poor thermodynamic stability and low energy exchange efficiency. Aim at above problems, azobenzene- 3D carbon/polymer composite is introduced in this project to build a novel molecular solar storage device including the following layers: azobenzene- graphene/carbon nanotubes hybrids with a high functionalization density as UV storage active layer, azobenzene-polymer as visible storage active layer, down transfer fluorescent dye and UV-pass filter as filtering layers to regulate the incident spectrum. High energy, high efficiency, cyclic controllable molecular solar energy storage can be realized. The results are also indicated by calculation using density functional theory (DFT). This project provides important theoretical significance and considerable industrial application value for molecular solar energy storage materials in the field of aerospace heat supply.

分子级太阳能储能是一种基于有机分子光致异构化的新型太阳能存储与转化技术，被认为是真正的闭合体系，与环境间只有能量交换。但现有的储能材料存在储能密度低、稳定性差和能量转化效率低等缺点。针对以上问题，本项目提出以三维结构的石墨烯/碳纳米管作为纳米模板，制备高功能密度的偶氮苯-石墨烯/碳纳米管杂化材料(AZO-G/CNT)，作为紫外光储能活性层；采用RAFT活性聚合合成四邻位取代的侧链型偶氮苯-聚合物复合材料(AZO-Polymer)，作为可见光储能活性层；借助下转换荧光染料和紫外透过滤光片作为过滤层调控入射光谱，首次构建基于偶氮苯-三维碳/聚合物双体系的新型分子级太阳能储能器件，可实现高能长效、高效率、循环可控的分子储能。同时，采用密度泛函理论(DFT)进行模拟计算。此项目为分子级太阳能储能材料在航空航天热供应领域的应用提供了重要的理论意义和可观的工业应用价值。

分子级太阳能储能是一种基于光敏分子的新型太阳能存储与转化技术，是真正的闭合体系，与环境间只有能量交换。但现有的储能分子存在储能密度低、稳定性差和能量转化效率低等缺点。本项目提出以高功能密度的偶氮苯-三维碳纳米杂化材料作为紫外光储能活性层, 以偶氮苯-聚合物复合材料作为可见光储能活性层, 借助下转换荧光染料和紫外透过滤光片作为过滤层，构建基于偶氮苯-三维碳/聚合物双体系的新型分子级太阳能储能器件。项目执行期间，一方面，我们首先设计和合成了不同结构的偶氮苯衍生物分子。再以石墨烯和短碳纳米管的组装体为三维碳纳米模板，合成了高接枝密度的偶氮苯-三维碳杂化材料，进而制备了具有高能量密度、长半衰期和循环可控的柔性储能薄膜。另一方面，我们通过共价和非公价的策略制备了不同结构的偶氮苯-高分子复合材料，再通过优化不同条件下复合材料的结构和光控储能特性，得到了可见光调控的柔性储能薄膜。最后，我们构建了基于偶氮苯-三维碳/聚合物双体系的新型分子级太阳能储能器件，实现了高能长效、高效率、循环可控的分子储能。此外，我们在偶氮苯-碳纳米管储能薄膜、偶氮苯-富勒烯杂化材料、碳纳米管/富勒烯三维复合材料、硅基碳纳米复合材料和偶氮苯基相变复合材料的制备及储能应用等方面开展了一系列研究工作并取得了若干创新性研究成果。以上研究论文已发表在ACS Applied Materials & Interfaces，Solar Energy Materials and Solar Cells，ACS Applied Energy Materials，Journal of Alloys and Compounds，Surfaces and Interfaces，ACS Omega 等多种国际著名刊物上。项目执行期间，以第一作者或通讯作者共发表标注本项目的SCI学术论文9篇，SCI影响因子总计大于50，被SCI引文59次，他引53次。其中，2019年发表在Solar Energy Materials and Solar Cells上的论文他引达到15次，表明该研究成果具有较大的学术价值。申请了国家发明专利6件，已获得国家发明专利授权3件。本项目的完成为偶氮苯基柔性分子储能器件在太阳能储热和航空航天领域的应用提供了重要的理论意义和可观的应用价值。