一种光致相变型偶氮苯基柔性光热转换器件的制备及性能

设计合成了一种具有室温光致固液转换性能的偶氮苯衍生物1-[4-(烯丙氧基)苯基]-2-(对甲苯基)二氮烯(AD-Azo)用于制备太阳热能燃料(STFs),结合其固液转换过程中的相变潜热,较大幅度提高了偶氮苯衍生物的能量存储密度.在光/热诱导下使其与普通商用布料结合,制备了环境友好、即用式柔性太阳热能燃料器件AD-Azo STF.利用织物内分子间超分子作用(氢键),增强了能量存储密度和储能寿命,使其总储能密度高达199.12 J/g,储能半衰期为50 h.该柔性AD-Azo STF器件具有良好的柔韧性、溶剂稳定性和循环使用性,在环境友好型太阳热能燃料中具有良好的应用前景.     

基于低温热释放的烷基接枝相变偶氮苯材料

通过Mills法合成了两种不同取代基的烷基接枝相变偶氮苯——4-正戊基偶氮苯(Azo5)和2′-甲基-4-正戊基偶氮苯(AzoM5). 通过核磁共振氢谱和傅里叶变换红外光谱表征了Azo5和AzoM5的化学结构, 利用紫外-可见光谱、 示差扫描量热仪和红外热像仪分析了材料的异构化性能、 循环稳定性、 储热和放热性能, 并测试了?10 ℃环境下的热量释放能力. 结果表明, Azo5和AzoM5由于分子间作用力低, 呈现出低熔点、 快速异构化的特点, 并且由于低温下的光致相变行为, 能量密度显著提高, 分别达到216和218 J/g. 红外热成像仪观测结果表明, 在可见光照射下, Azo5在低温环境(?10 ℃)下可以实现6 ℃的温度提升.     

二维界面上偶氮苯糖脂的光响应行为

设计合成了含偶氮苯基团的糖脂Gal-azo-Cn,通过Langmuir Blodgett(LB)膜、原子力显微镜技术对该糖脂在气液界面上的光异构化行为进行研究。实验表明,气液界面上的纯偶氮苯糖脂及与磷脂混合形成单分子膜的偶氮苯糖脂均具有反-顺、顺-反异构化行为。紫外光引起的异构化过程导致表面压力上升,但是由于二维界面上膜压的存在对其反-顺异构化行为有抑制作用,膜压越大,压力上升越小,黑暗环境中顺-反异构化过程则越快。对比纯偶氮苯糖脂的界面异构化行为,混合体系中磷脂分子与偶氮苯糖脂分子间的相互作用,对二维界面上糖脂的反-顺异构化有促进作用,提高了偶氮苯糖脂的反-顺异构化程度。磷脂-糖脂混合体系中,混合组分中含不饱和碳链的磷脂含量越高,膜的流动性越强,稳定性越差,对偶氮苯糖脂异构化行为的促进作用越弱。     

含偶氮苯主-客体复合物的光致异构化反应对结合能与几何构象的影响（英文）

在分子尺度上构建光驱动的人工分子机器是超分子化学研究的一个热点。偶氮苯是一类具有双稳态的光致开关分子,能够完成高效、可逆的反式(E)→顺式(Z)的光致异构化过程,因而可以作为人工分子机器的功能单元。本文采用密度泛函理论(DFT)和反应分子动力学(RMD)模拟,研究了含偶氮苯封端基团的互锁型超分子体系中冠醚主体与二烷基铵客体间结合强度,模拟了偶氮苯Z→E异构化反应的动态过程,讨论了异构化反应对主客体分子构象的影响。在偶氮苯封端基团通过发生Z→E异构化实现体系单向可控运动时,较强的主-客体间结合能力是保证互锁型超分子体系稳定的必要前提。顺式客体与主体大环氢键相互作用比反式客体更强,因此顺式复合异构体具有比反式异构体更大的结合强度。偶氮苯基团发生E→Z光致异构化引入位阻效应,使得顺式复合物只能从环戊基准封端处进行脱环。主客体复合过程对偶氮苯基团的几何结构没有明显影响。偶氮苯光致异构化发生的速度快于客体脱环的速度是实现单向运动的动力学上的必要条件。在异构化反应后的500 ps内,大环会经历一个明显的结构驰豫过程。冠醚大环主体的柔性构象有助于实现在偶氮苯光致异构化发生过程中主客体间持续稳定的结合。各种超分子体系中,尽管客体组成各不相同,但是包含相似的主客体识别位点的超分子体系具有相似的结合能,显示了机械互锁型复合体系中各种功能性构建单元间主客体相互作用具有正交性。引入双稳态的偶氮苯功能基团对客体其他部分的几何结构影响很小。理论计算结果有助于理性设计更复杂的刺激响应性人工分子机器。     

含偶氮苯侧链分子刷聚合物的合成及其光响应自组装

分子刷聚合物伸展的高分子主链、高密度的侧链和较低的侧链空间缠结,使其展现出独特的流变学、力学性能和特殊的分子聚集状态,在纳米技术、表面科学等领域有着广泛的应用前景.基于同时含有2-羰基溴与炔基基团的大分子试剂聚2-((2-溴代丙酰氧基)甲基)丙烯酸丙炔酯,引发偶氮苯丙烯酸酯单体的原子转移自由基聚合(ATRP)与叠氮功能化的巴比妥酸衍生物的点击反应,合成了新型含偶氮苯侧链的分子刷聚合物聚丙烯酸酯-g-聚(6-(4-丁基-4′-氧偶氮苯)正己基丙烯酸酯)/巴比妥酸(PA-g-PAzo/Bar),研究了其在溶液中的自组装和光响应性行为.随着分子刷聚合物浓度的增加,聚集体由柱状胶束向复合胶束转变.由于光响应性偶氮苯侧链的存在,在紫外光的照射下偶氮苯生色团发生trans-cis异构化转变,促使柱状胶束融合形成多孔网状聚集体,同时球形复合胶束融合形成珍珠项链状聚集体.     

含偶氮苯主-客体复合物的光致异构化反应对结合能与几何构象的影响

在分子尺度上构建光驱动的人工分子机器是超分子化学研究的一个热点。偶氮苯是一类具有双稳态的光致开关分子,能够完成高效、可逆的反式(E)$\to $顺式(Z)的光致异构化过程,因而可以作为人工分子机器的功能单元。本文采用密度泛函理论(DFT)和反应分子动力学(RMD)模拟,研究了含偶氮苯封端基团的互锁型超分子体系中冠醚主体与二烷基铵客体间结合强度,模拟了偶氮苯Z$\to $E异构化反应的动态过程,讨论了异构化反应对主客体分子构象的影响。在偶氮苯封端基团通过发生Z$\to $E异构化实现体系单向可控运动时,较强的主-客体间结合能力是保证互锁型超分子体系稳定的必要前提。顺式客体与主体大环氢键相互作用比反式客体更强,因此顺式复合异构体具有比反式异构体更大的结合强度。偶氮苯基团发生E$\to $Z光致异构化引入位阻效应,使得顺式复合物只能从环戊基准封端处进行脱环。主客体复合过程对偶氮苯基团的几何结构没有明显影响。偶氮苯光致异构化发生的速度快于客体脱环的速度是实现单向运动的动力学上的必要条件。在异构化反应后的500 ps内,大环会经历一个明显的结构驰豫过程。冠醚大环主体的柔性构象有助于实现在偶氮苯光致异构化发生过程中主客体间持续稳定的结合。各种超分子体系中,尽管客体组成各不相同,但是包含相似的主客体识别位点的超分子体系具有相似的结合能,显示了机械互锁型复合体系中各种功能性构建单元间主客体相互作用具有正交性。引入双稳态的偶氮苯功能基团对客体其他部分的几何结构影响很小。理论计算结果有助于理性设计更复杂的刺激响应性人工分子机器。     

新型弯曲形双偶氮苯类液晶合成及光致异构性能研究

弯曲形偶氮苯液晶由于其偶氮键独特的光致可逆异构化性能,已成为光电子信息材料研究的热门课题,但光响应速度慢已成为制约其发展的关键因素.目前报道的弯曲型偶氮类液晶化合物的偶氮键都距离中心核较远的位置,光致异构的响应时间较长,大都在分钟以上,不利于光敏器件应用研究.本工作试图以2-甲基-1,3-间苯二胺为中心核,将偶氮键紧挨中心核两边,末端为直链烷基,设计合成了一系列新型弯曲形双偶氮苯类液晶化合物,以期缩短光响应时间.通过IR, 1H NMR, 13C NMR和ICP-MS光谱鉴定这些化合物的分子结构,经差示扫描量热仪(DSC)和偏光显微镜(POM)测定其液晶相变温度和相态织构;并通过测定2-甲基-1,3-双(4-((4-庚基苯基)酯基)-1-(E)-偶氮苯基)苯(2c)的紫外-可见光的吸收光谱研究其光致异构化性能,通过UV-Vis光谱仪和偏光显微镜(POM)测定其液晶化合物以及掺杂向列相液晶材料的光致异构现象和响应时间.实验结果表明,所有设计合成的弯曲形双偶氮苯类液晶化合物均具有近晶相相态,且相态温度范围较宽,当近晶相态化合物2c掺杂到向列相混合液晶中时,其光致异构响应时间为2~3 s,在日光下液晶态恢复时间为3~4s,在乙酸乙酯稀溶液中时10s可达到光稳态.说明这类弯曲形双偶氮液晶化合物具有较快的光致异构响应速度.     

含不同基团偶氮苯化合物的合成及其光致异构化性质

以苯胺或对硝基苯胺为起始原料,通过重氮偶合法合成了4种分别含有硝基、氨基和不同数目偶氮基的偶氮苯化合物(1~4),其结构经¹H NMR和FT-IR确证。研究了1~4在紫外灯(12 W)照射下随时间变化的UV-Vis谱图。结果表明：含有给电子基团(NH₂)偶氮苯的光致异构化速率较含有吸电子基团（NO₂）时更快,NO₂对分子的异构化有一定抑制作用;分子中偶氮基的数目增加时,顺反异构化过程也受到影响。     

光敏季铵盐Gemini表面活性剂a4-6-m在气/液界面的吸附

合成了3种不对称结构的季铵盐Gemini表面活性剂a4-6-m, 分子的一根疏水链是偶氮苯为端基的4个亚甲基链, 另一根是不同长度的脂肪链(m=12, 14, 16). 研究结果表明, 反式偶氮苯封端的a4-6-m在气/液界面上以直立方式排列, 偶氮苯端基间的π-π相互作用导致吸附分子较为紧密地排列, 但吸附层外表面含有偶氮苯成分使临界胶束浓度(cmc)时的表面张力(γcmc)较大. 紫外光激发使反式结构偶氮苯变为顺式结构, 这些极性较强的顺式偶氮苯夹杂在直立的烷烃链间, 增强的偶极-偶极相互作用促进了分子紧密排列, 使分子占据面积(Amin)略微减小. 增长脂肪链长度有助于降低临界胶团浓度和C20(使水的表面张力降低20 mN·m-1时所需的表面活性剂浓度), 但对γcmc影响不大.     

长链烷酸接枝羟丙基纤维素相变材料的制备及其性能

采用酯化的方法将具有相变特征的长链脂肪酸接枝到羟丙基纤维素主链上, 得到了一系列性能稳定, 温度范围适宜的高分子固-固相变材料, 并利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)、差示扫描量热仪(DSC)、热失重分析仪(TGA)和X射线散射等技术手段对其化学结构及相变行为进行了研究。 结果表明, 该材料呈现出可逆的固-固相转变特性, 相变温度范围可通过改变脂肪酸的长度调节。 利用棕榈酸、硬脂酸和花生酸获得的相变材料焓值达到60 J/g, 所获得的材料在250 ℃以内不发生热分解。 通过将两种长链脂肪酸混合同时接枝到羟丙基纤维素主链上, 所得产物的吸/放热温度随着混合脂肪酸组分含量的变化而变化, 同时X射线散射的结果也证明羟丙基纤维素混合酯的分子间距是位于其两种单一酯之间的。这一结果为制备一定温度范围内任意相变温度的高分子固-固相变材料提供了简便的方法。     

Polydopamine-coated metal-organic framework-based composite phase change materials for photothermal conversion and storage

The liquid leakage and weak solar absorption capacity of organic phase change materials (PCMs) seriously hinder the efficient utilization of solar energy and thermal energy storage. To address these issues, we prepared nanoporous metal organic framework (Ni-MOF) for the vacuum infiltration of paraffin wax (PW), followed by the coating of solar-absorbing functional polydopamine (PDA) on the surface of PW@MOF for photothermal conversion and storage. As an efficient photon harvester, PDA coating endows PW@MOF/PDA composite PCMs with excellent photothermal conversion and storage properties due to the robust broadband solar absorption capability in the UV–vis region. Resultantly, our prepared PW@MOF/PDA composite PCMs exhibit a high photothermal conversion and storage efficiency of 91.2%, while that of PW@MOF composite PCMs is only zero. In addition, PW@MOF/PDA composite PCMs also exhibit excellent thermal stability, shape stability, energy storage stability, and photothermal conversion stability. More importantly, this coating strategy is universal by integrating different MOFs and solar absorbers, showing the potential to accelerate the major breakthroughs of high-efficiency MOF-based photothermal composite PCMs in solar energy utilization.     

Spatiotemporal Utilization of Latent Heat in Erythritol-based Phase Change Materials as Solar Thermal Fuels

Solar thermal fuels (STFs) have been particularly concerned as sustainable future energy due to their impressive ability to store solar energy in chemical bonds and controllably release thermal energy. However, currently studied STFs mainly focus on molecule-based materials with high photochemical activity, toxicity, and compromised features, which greatly restricts their applications in practical scenarios of solar energy utilization. Herein, we present a novel erythritol-based composite phase change material (PCM) as a new type of STFs with an outstanding capability to store solar energy as latent heat in its stable supercooling state and release thermal energy as needed. This composite PCM with stored thermal energy can be maintained stably at room temperature and subsequently release latent heat as high as 224.9 J/g during the crystallization process triggered by thermal stimuli. Remarkably, solar energy can be converted into latent heat stored in the composite PCM over months. Through mechanical stimulations, the released latent heat can increase the temperature of the composite up to 91 °C. This work presents a new concept of using spatiotemporal storage and release of latent heat in PCMs for solar energy utilization, making it a potential candidate as STFs for developing future clean energy techniques.     

Visible Light-Driven Alkyne-Grafted Ethylene-Bridged Azobenzene Chromophores for Photothermal Utilization

Molecular photoswitches are considered to be important candidates in the field of solar energy storage due to their sensitive and reversible bidirectional optical response. Nevertheless, it is still a daunting challenge to design a molecular photoswitch to improve the low solar spectrum utilization and quantum yields while achieving charging and discharging of heat without solvent assistance. Herein, a series of visible-light-driven ethylene-bridged azobenzene (b-Azo) chromophores with different alkyne substituents which can undergo isomerization reactions promoted in both directions by visible light are reported. Their visible light responsiveness improves their solar spectrum utilization while also having high quantum yields. In addition, as the compounds are liquids, there is no need to dissolve the compounds in order to exploit this switching. The photoisomerization of b-Azo can be adjusted by alkyne-related substituents, and hexyne-substituted b-Azo is able to store and release photothermal energy with a high density of 106.1 J·g⁻¹, and can achieve a temperature increase of 1.8 °C at a low temperature of −1 °C.     

换热器与相变材料的兼容性研究进展

相变材料是一类以潜热实现能量存储释放的储能材料,由于其在相变温度附近具有很大的储热密度,相变材料可以被用于建筑控温、太阳能热发电和高温传热蓄热等应用中。 换热器是相变储能设备的重要组成部分,可以将热量在供需两端进行传递和转移,保障需求一方的使用,随着相变材料研究的不断深入及其工程应用的广泛普及,换热器已在众多相变储能项目中发挥了重要的枢纽作用。 为了保证换热器的使用性能,需要对换热器在相变材料中的防腐蚀性进行全面的分析。 本文总结了大量国内外的文献,分析不同成分的相变材料对换热器材料的腐蚀性,为换热器材料的选择提供了参考。     

Photoinduced Betaine Generation for Efficient Photothermal Energy Conversion

The conversion of solar energy to thermal, chemical, or electrical energy attracts great attention in chemistry and physics. There has been a considerable effort for the efficient extraction of photons throughout the entire solar spectrum. In this work light energy was efficiently harvested by using a long-lived betaine photogenerated from an acridinium-based electron donor–acceptor dyad. The photothermal energy-conversion efficiency of the dyad is significantly enhanced by simultaneous illumination with blue (420–440 nm) and yellow (>480 nm) light in comparison with the sum of the conversion efficiencies for individual illumination with blue or yellow light. The enhanced photothermal effect is due to the photogenerated betaine, which absorbs longer-wavelength light than the dyad, and thus the dyad–betaine combination is promising for efficient photothermal energy conversion. The mechanisms of betaine generation and energy conversion are discussed on the basis of steady-state and transient spectral measurements.     

Phototunable Liquid‐Crystalline Phases Made of Nanoparticles

The properties of liquid‐crystalline (LC) hybrid systems made of inorganic nanoparticles grafted with photosensitive azo compounds are presented. For materials with a large density of azo ligands at the surface, the LC structure can be reversibly melted by UV light, and the return to the LC state does not require the absorption of visible light. For systems with a lower density of azo ligands, UV light causes shortening of the distance between metal sublayers in the lamellar phase. Interestingly, the azo derivatives attached to the nanoparticle surface show very different kinetics of cis/trans conformational change as compared to the free molecules. The cis form of free ligands in solution is stable for days, whereas the isomerization of molecules attached to the nanoparticle surface to the trans form takes only a few minutes. Apparently, owing to the crowded environment, azo ligands immobilized at a metal surface behave as they would in the condensed state.     

光诱导钌配合物的几何异构和结构异构反应研究进展

金属钌(Ru)的配合物具有丰富的基态和激发态的光物理、光化学性质,在太阳能转换、光催化以及分子识别等方面都得到了广泛深入的研究.光诱导的钌配合物的异构反应是其颇具特色的一类光反应,研究光异构反应对于光能量转化、信息储存以及"分子光开关"和"分子马达"的设计具有重要的意义.本文小结和综述了钌配合物的光诱导几何异构和结构异构反应的特性和机理以及最新的研究进展.     

Integrating bimetallic AuPd nanocatalysts with a 2D aza-fused π-conjugated microporous polymer for light-driven benzyl alcohol oxidation

Efficient catalytic system with low energy consumption exhibits increasing importance due to the upcoming energy crisis.Given this situation,it should be an admirable strategy for reducing energy input by effectively utilizing incident solar energy as a heat source during catalytic reactions.Herein,aza-fused7 r-conjugated microporous polymer(aza-CMP)with broad light absorption and high photothermal conversion efficiency was synthesized and utilized as a support for bimetallic AuPd nanocatalysts in light-driven benzyl alcohol oxidation.The AuPd nanoparticles anchored on aza-CMP(aza-CM P/Au_xPdy)exhibited excellent catalytic performance for benzyl alcohol oxidation under 50 mW/cm^2 light irradiation.The improved catalytic performance by the aza-CMP/Au_xPdy is attributed to the unique photothermal effect induced by aza-CMP,which can promote the catalytic benzyl alcohol oxidation occurring at Au Pd.This work presents a novel approach to effectively utilize solar energy for conventional catalytic reactions through photothermal effect.     

基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。     

光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点,受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同,太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面,无需从底部加热整体水来产生蒸汽,极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能;探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上,总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展,展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。