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基于偶氮苯分子的光致异构材料制备及其储能性能研究

【摘要】:随着能源危机的出现,储能材料已逐渐成为研究的热点。偶氮苯类光致异构化材料因其优异的光致异构化特性,而在分子级太阳能储能方面具有良好的应用前景。通过多种合成和分析方法研究偶氮苯类光致异构化材料的储能特性已成为拓展其实际应用的重要内容。但传统的偶氮苯类分子的回复半衰期(或储能时间)很短且能量密度极低,无法满足高能长效的储能应用。本文基于分子工程和模板化概念研发出了高性能的偶氮苯类光致异构化材料,有效地提高了材料的能量密度和储能时间,为其进一步在储能领域的应用提供了实验和理论依据。1.本文在分子设计的基础上,采用重氮-偶合法和酰氯化-酯化反应合成了多种偶氮苯衍生物分子(AZO-1~AZO-4),紫外-可见吸收光谱和热失重曲线显示AZO-1~AZO-4均具有优异的光致异构化特性、循环稳定性和热稳定性,而且长碳链偶氮苯AZO-2~AZO-4具有较长的回复半衰期(64~147 h)。2.运用分子工程概念,采用简易的方法制备了长碳链偶氮苯/十四醇复合材料,在有机相变材料体系中引入了过冷度并能光控储能。结果表明,复合材料具有良好的光致异构化特性。光照后,复合材料由不规则形状变为规则球形。调整长碳链偶氮苯分子在复合材料中的掺杂量及升/降温速率,进一步优化光照前后复合材料产生的过冷度。在长碳链偶氮苯掺杂量为55 wt%和降温速率为20℃ min-1时达到了 7.67℃的过冷度,可在低于十四醇的结晶温度下保持液相10 h。差示扫描量热法证明复合材料的总能量密度为66.51 Wh kg-1,比长碳链AZO-3的异构化焓提高了 126.79%。3.在此基础上,制备了长碳链偶氮苯/十二烷酸复合材料,并研究调整偶氮苯分子的碳链长度和掺杂量对性能的影响。结果表明,该复合材料具有良好的光致异构化特性,在低于十二烷酸的结晶温度下保持液相10 h,能量密度达到58.51 Wh kg-1,比相应长碳链偶氮苯提高了 90.51%。此外,碳链长度为11个烷基(AZO-2)和掺杂量为55 wt%时过冷度可高达12℃,相变温度降为25℃,有望实现室温下的长期储能。4.以碳纳米管为模板,采用直接Friedel-crafts酰化反应合成了推-拉电子结构偶氮苯/单壁碳纳米管杂化材料/薄膜。结果表明,热失重和X射线光电子能谱证明其接枝密度达到平均每31个碳原子键合一个偶氮苯分子(1:31)。在高接枝密度下,通过捆绑效应和分子间相互作用,能提高材料的能量密度和回复半衰期。杂化材料的能量密度为80.7 Wh kg-1,比偶氮苯分子的能量密度提高了 106.9%;其回复半衰期为16 h,比偶氮苯分子(150 s)的提高了 2个数量级。此外,其功率密度为292 Wkg-1。红外成像仪显示光照储能和未光照杂化材料薄膜之间的温度差高达10℃。同时,杂化材料和薄膜都保持了优异的循环稳定性,在有限次循环下几乎无衰减,有望实现高能长效的太阳能储存和应用。

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