天津大學團隊ChemSocRev：偶氮基光熱能的設計性能和應用

　　近日，天津大學材料學院封偉教授團隊在英國皇家化學學會綜述類旗艦刊物Chemical Society Reviews(IF = 40.182)上發表題為“Azobenzene-based solar thermal fuels: design, properties, and applications”的綜述。論文第一作者為博士生董立奇。

　　全球氣候變暖以及能源危機使世界能源前景令人不安，急需開發可再生和可持續能源技術和發展戰略，以減少對目前全球經濟主要推動力的傳統化石燃料的依賴。而太陽能可以說是我們星系中最為豐富的、取之不盡的自然資源。因此，發展對太陽能進行俘獲、轉換、儲存的創新技術顯得尤為重要。

　　現如今，已經有各種各樣的技術手段來利用太陽能，比如：太陽光電技術、太陽熱收集裝置、人工光合作用以及太陽光熱燃料。其中，太陽能熱燃料（Solar Thermal Fuels）可以通過光開關分子的結構轉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。這種封閉循環能夠在單一材料系統內實現可逆的太陽能轉換和能量存儲，具有零排放、易于運輸、可循環、可再生性、以及以熱量形式按需釋放等優點。

　　目前，偶氮苯因具有獨特的光誘導可逆結構轉變特性而成為實現光-熱存儲與可控釋放的重要潛在材料，受到科研工作者的關注。偶氮苯光熱存儲與釋放循環體系主要依賴具有光誘導可逆構型轉變的N=N分子結構。其基本過程為：處于低能態的偶氮苯分子（trans-Azo），吸收特定波長的光子，克服雙鍵/單鍵結構發生異構化所需的標準自由能，躍遷至具有較高能量的亞穩態結構（cis-Azo），從而將光能存儲于化學鍵中（高能態與低能態之間的能級差為“ΔH”）；由于高能態構型的偶氮苯分子熱力學不穩定性，在光/熱/力等外界能量刺激下，亞穩態偶氮苯分子會克服能壘（ΔEa）回復到低能態構型，并伴隨著將存儲的能量“ΔH”以熱的形式釋放，從而實現光—熱的可逆存儲與釋放循環（如下圖所示）。

　　封偉團隊在綜述中重點介紹了基于各種偶氮苯及其衍生物的光熱燃料的最新進展，如基于純偶氮苯衍生物的光熱燃料、基于納米碳模板化偶氮苯的光熱燃料和基于聚合物模板化偶氮苯的光熱燃料。討論了這些先進的太陽能存儲材料的基本設計概念，并突出描述了基于這些光熱材料的應用。

　　毫無疑問，分子的設計和微觀結構的優化調控對于實現具有高儲存能量的偶氮苯光熱材料是至關重要的。然而同時提高這種材料的儲能密度、儲存周期和光吸收效率仍然是一項具有挑戰性的任務。不論是在基礎理論還是實際應用方面，都有很大的提升空間。可以預見，基于偶氮苯的光熱材料作為一種新的俘獲、轉化、儲存太陽能的手段將會成為來自不同技術背景的科學家和工程師的熱門話題。

　　天津大學封偉團隊是國際上較早關注有機分子光熱能研究的課題組，他們長期致力于光熱材料的開發，早在2006年在國家基金的支持下就發表了國際上第一個具有光熱能分子異構化結構的偶氮苯-碳納米管文章。近年來該團隊在國家自然科學基金杰出青年基金項目、重點項目、面上項目以及科技部973項目等支持下在偶氮苯-碳模板化材料（Nanoscale, 2012, 4, 6118；J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5068；ACS Appl. Mater. Inter., 2017, 9, 4066；ChemSusChem, 2017, 10, 1395；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8020； Sci. China-Technol. Sci., 2016, 59, 1383；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16453；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11795；Nanoscale, 2015, 7, 16214；Sci. Rep., 2014, 4；Sci. Rep., 2013, 3.）的研究和設計上取得了一系列的原創性成果。

（論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1039/C8CS00470F)