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天津大學(xué)封偉教授與合作者 PPS綜述:偶氮聚合物基太陽能熱燃料的進(jìn)展、挑戰(zhàn)和機遇
2024-02-08  來源:高分子科技

  開發(fā)可再生和可持續(xù)能源技術(shù)以應(yīng)對日益增長的全球能源需求是新世紀(jì)亟需解決的巨大挑戰(zhàn)。太陽能是最重要的可再生能源之一,將太陽光有效地轉(zhuǎn)換為其它能量形式具有極其重要的研究價值。目前,已經(jīng)開發(fā)了各種利用太陽能的技術(shù)手段,如太陽光電技術(shù)、太陽熱收集裝置以及太陽能熱燃料。其中,太陽能熱燃料可通過分子光開關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和鍵的重排來儲存來自太陽輻射的能量,然后以熱的形式釋放能量。這種封閉循環(huán)能夠在單一材料系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)可逆的太陽能轉(zhuǎn)換和能量存儲,具有零排放、可循環(huán)以及按需釋熱等優(yōu)點。偶氮聚合物因具有光誘導(dǎo)可逆構(gòu)型轉(zhuǎn)變的N=N分子結(jié)構(gòu),并展現(xiàn)出易于合成、可回收性高和成型性好獨特優(yōu)勢,被認(rèn)為是開發(fā)分子太陽能熱燃料最有前途的候選材料。


  基于對偶氮聚合物基太陽能熱燃料多年的深入研究,天津大學(xué)封偉教授、北京大學(xué)于海峰教授、北京科技大學(xué)王國杰教授太原理工大學(xué)李文英教授作為共同通訊作者,在高分子領(lǐng)域國際期刊《Progress in Polymer Science》上發(fā)表了題為“Azobenzene-Containing Polymer for Solar Thermal Energy Storage and Release: Advances, Challenges, and Opportunities”的綜述論文。論文第一作者為太原理工大學(xué)師資博士后徐興堂,該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中國博士后科學(xué)基金等科研經(jīng)費支持。 



  該綜述論文全面介紹了偶氮聚合物基太陽能熱燃料在光能-化學(xué)能-熱能循環(huán)轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵性能指標(biāo),如存儲能量密度、半衰期、光能轉(zhuǎn)化效率和太陽光譜匹配度等,分析比較了目前廣泛研究的四類分子光開關(guān),包括降冰片二烯/四環(huán)烷(NBD/QC)、二氫氮雜烯/乙烯基庚二烯(DHA/VHF)、富瓦烯雙金屬配合物(FvRu2(CO)4)和偶氮苯化合物,指出了偶氮聚合物作為太陽能熱燃料的獨特性能優(yōu)勢,即易于形成均勻平坦、厚度可控的薄膜、大面積放熱可行性以及可調(diào)控的單體結(jié)構(gòu)和聚合物骨架等。 


圖1 偶氮聚合物太陽能熱燃料的儲能與放熱示意圖


  該論文隨后系統(tǒng)總結(jié)了偶氮聚合物基太陽能熱燃料近十年的研究進(jìn)展,包括偶氮苯化合物/聚合物復(fù)合材料、線性偶氮聚合物、樹枝狀偶氮聚合物和其他類型的偶氮聚合物,重點分析了偶氮聚合物基太陽能熱燃料最有前景的優(yōu)勢和現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn),如存儲能量密度有待進(jìn)一步提升、紫外光依賴的能量存儲、熱量釋放不完全以及太陽光譜匹配度低等。針對該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn),該論文提出了進(jìn)一步開發(fā)偶氮聚合物基太陽能熱燃料的新興策略,如開發(fā)新型偶氮基分子光開關(guān)或結(jié)合共價鍵來提升存儲能量密度、采用電、機械及催化劑等誘導(dǎo)方式來實現(xiàn)系統(tǒng)完全熱量釋放以及將太陽能熱燃料與光熱轉(zhuǎn)換材料相結(jié)合開發(fā)分子儲能器件來拓寬太陽光譜匹配度等,旨在促進(jìn)太陽能熱燃料向創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展。 


圖2 提升偶氮聚合物基太陽能熱燃料總體性能的新興策略


  天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊長期從事光熱能轉(zhuǎn)換存儲材料、功能碳復(fù)合材料、高導(dǎo)熱功能復(fù)合材料、高性能氟化碳材料方向研究,已在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.等國際頂級期刊上發(fā)表文章200余篇研究成果,獲得國內(nèi)外授權(quán)專利80多件,出版專著2部。封偉教授曾獲國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者,科技部中青年創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,第二批天津市杰出人才,天津市“131”創(chuàng)新型團(tuán)隊負(fù)責(zé)人,英國皇家化學(xué)會會士(FRSC),日本JSPS學(xué)術(shù)振興委員會高級訪問學(xué)者,國務(wù)院政府特殊津貼專家。任第七屆、第八屆教育部科技委委員、中國復(fù)合材料學(xué)會導(dǎo)熱復(fù)合材料專委會首任主任委員。以第一獲獎人身份獲得教育部、天津市等省部級一等獎4項。


  論文信息

  Azobenzene-Containing Polymer for Solar Thermal Energy Storage and Release: Advances, Challenges, and Opportunities

  Xingtang Xu, Jie Feng, Wen-Ying Li, Guojie Wang*, Wei Feng*, Haifeng Yu*

  論文鏈接https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101782

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