高能长效太阳能储热材料研究

具有弱非键相互作用的高能量密度偶氮苯/氧化石墨烯杂化太阳能储热材料

【引言】

在过去的几十年里，由于其在光折变、电光、储能到光电探测器等多种应用领域的巨大潜力，人们对其进行了大量的研究。偶氮苯（AZO）及其衍生物在紫外（UV）光下可发生反式→顺式异构化反应。逆顺反式异构化可以由光驱动，也可以在黑暗中发生热异构化。

【成果介绍】

将光致变色发色团引入聚合物复合材料中，为这些材料的内在特性提供了一种可逆的光开关。本文报道了一种将偶氮苯（AZO）部分共价连接到氧化石墨烯（GO）上，形成生色团/氧化石墨烯（AZO-GO）杂化物的方法。由于AZO基团的高接枝密度和低质量，杂化物是一种很有潜力的太阳能储热材料，其能量密度约为240Wh·kg⁻¹。结果表明，顺式AZO生色团与底物芳香环之间的C-H········π相互作用诱导了GO在顺式异构体临界百分比处的集体电子修饰，直接降低了生色团π-π*跃迁的热障，在反应过程中产生了两段一级反应反式-顺式杂化之光异构化及顺式杂化之热稳定性。采用德国LINSEIS STA PT1600同步热分析仪 对样品进行热重分析(TGA)。我们的研究结果表明，高性能的AZO-GO杂化物可以通过优化分子间非键相互作用来操控。

【图文导读】

图1：合成路线（a），反式AZO-GO杂化物（b）的化学结构和顺式AZO-GO杂化物（c，d）。

图2：AZO（a）的红外光谱，AZO-GO（b）和AZO-RGO（c）杂化物。

图3： GO（a）、RGO（b）、AZO-GO（C）和AZO-RGO（d）粉末样品的C 1s-XPS及去卷积。AZO-GO（e）和AZO-RGO（f）N1s的XPS光谱分析。AZO-GO和AZO-RGO的光谱测量扫描（g）。

图4：（a） GO，AZO-GO和AZO-RGO杂化物的TGA；（b，c）AZO-GO和AZO-RGO顺反异构化对应的放热热流积分。

图5：（a）AZO-RGO和（b）AZO-GO在365 nm紫外光照射下（在室温20°C下测量）在乙醇中的光调制紫外-可见吸收光谱变化。

图6：AZO-GO（a，c）和AZO-RGO（b，d）的可逆性和罗马稳定性。

图7：反式→顺式光异构化动力学常数。

图8：（a） AZO-GO杂化物在紫外光（365nm）照射不同时间后的拉曼光谱（532nm激发）。

（b） 反式AZO-GO和顺式AZO-GO杂化物的FT-IR光谱。

【结论】

采用重氮化法制备了AZO-GO（RGO）杂化物。XPS和FT-IR结果表明，AZO单体与GO（RGO）共价键合，其官能化密度约为1/16（1/24）。AZO-GO杂化物的紫外-可见光谱证明在300-400nm范围内存在可逆的光异构化反应。该杂化物具有高达240Wh·kg⁻¹的高能量密度和良好的热稳定性。杂化物的振动光谱表明，在顺式异构体中，AZO芳环与GO基体芳环之间存在C-H···π相互作用，导致杂化物的集体电子修饰，直接影响生色团的π–π*跃迁。反式-顺式光异构化动力学包括两个离散的线性段。当顺式杂化率约为60%时，t_c处出现不连续性，此后活化能下降，光异构化过程进行得更快。