光致异构储能材料太阳光谱特性及储/释热机理研究

The project intends to research a number of basic scientific questions of azobenzene compound as solar thermal energy storage material. Based on the principle of light-induced cis-trans isomerization of the azobenzene compound, the project focuses on solar spectral absorption characteristics, light response characteristics, thermal energy storage and release microscopic mechanism, thermo-physical properties and heat transfer characteristics of azobenzene compound. By changing the substituent group on the double ring of azobenzene, combined with the experimental results of the solar spectrum absorption and the light reaction characteristics of azobenzene compound, we aim to form some azobenzene compound, which can absorb solar energy directly and have high light reaction quantum efficiency, high light absorption intensity，fast light response rate and high energy storage density. Through the analysis of energy state of azobenzene compound, combined with molecular modeling tools, we aim to clarify the mechanism of cis-trans isomerization of azobenzene compounds and the process of photochemical energy storage/release along with the kinetics. Using a variety of methods to test its physical properties, thermal properties and clarify the variation of these properties, then put forward the heat conduction model under specific conditions, for the ultimate realization of an ideal optical isomerization solar thermal energy storage technologies to establish theoretical basis and provide experimental evidence.

本项目拟对偶氮苯化合物作为太阳热能储存材料的几个基础科学问题开展研究。项目基于偶氮苯的光致顺反异构原理，以偶氮苯化合物的太阳光谱吸收特性、光反应特性、储能和释热微观机理及其热物理性能和热传导特性为研究重点。通过对偶氮苯双苯环上取代基团的改变，结合偶氮苯化合物太阳光谱吸收特性实验和光反应实验，形成一类能直接吸收太阳能、光反应量子效率和吸光强度高、光响应速率快、储能密度大的偶氮苯化合物；通过对偶氮苯化合物的能态分析，辅以分子模拟手段，以明确偶氮苯化合物太阳光致顺反异构化机理及其光化学能量储存与释放的动力学过程；采用各种手段对其热物理性能进行测试分析，以明晰其热物性变化规律，进而提出特定工况下的热传导模型，为最终实现一种理想的光异构化太阳热能储存技术奠定理论基础，提供实验依据。

传统的偶氮苯化合物作为储能材料存在储能密度低和半衰期短和紫外光储能三大难题。本项目采用碳纳米管、石墨烯和富勒烯等碳纳米模板来提高传统偶氮苯化合物的能量密度和半衰期，并对其作为光致异构储能材料的热物性进行测试研究。通过对偶氮苯化合物双苯环上取代基团的改变，制备出能吸收紫外光和可见光的偶氮苯化合物；选用碳纳米管、石墨烯等碳纳米模板与偶氮苯化合物进行共价接枝，制备出纳米碳基光致异构储能材料；通过硅烷偶联剂将4-二甲氨基-4′-羧基偶氮苯共价接枝到多壁碳纳米管上形成偶氮苯/多壁碳纳米管光致异构储能材料；通过直接Friedel-craft酰基化反应将4-羟基-4ʹ-羧基偶氮苯共价接枝到单壁碳纳米管上，形成偶氮苯/单壁碳纳米管光致异构储能材料；通过真空抽滤法制备了偶氮苯-单壁碳纳米管自支撑膜；运用酰氯化-酯化反应先将4-羟基-4′-羧基偶氮苯接枝在氧化石墨烯边缘，通过NaBH4部分还原，利用重氮盐法将4-羧基-4′-氨基偶氮苯接枝在其表面，制备出偶氮苯/还原石墨烯光致异构储能材料；通过自由基加成法将4-氨基-2,6-二甲基-4′-羧基偶氮苯共价接枝到富勒烯上，形成偶氮苯/富勒烯光致异构储能材料；对上述偶氮苯化合物和纳米碳基光致异构储能材料进行了表征及热物性测试。主要研究结果表明：当偶氮苯化合物的四个邻位被取代时，偶氮苯化合物能被520 nm或650 nm光激发进行反-顺异构化进行储能；偶氮苯/多壁碳纳米管的能量密度高达77 Wh/kg和回复半衰期达到14 h，相比于偶氮苯分别提高92.5%和2个数量级；偶氮苯/单壁碳纳米管的能量密度高达80.7 Wh/kg和回复半衰期达到16 h，相比于偶氮苯分别提高106.9%和2个数量级，此外其功率密度为292 W/kg，其储能效率12.4％和太阳能储存效率0.25％；偶氮苯/单壁碳纳米管膜的储能密度为60.4 Wh/kg，功率密度为233 W/kg，此外，宏观释热膜温升的最大温度为10℃；偶氮苯/石墨烯的能量密度为81.75 Wh/kg和回复半衰期达到36h，相比于偶氮苯分别提高104.4%和3个数量级；偶氮苯/富勒烯回复半衰期达到15 h，相比于偶氮苯提高了4个数量级。