[发明专利]一种偶氮苯基光热储能分子及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种偶氮苯基光热储能分子，具有式Ⅰ所示结构。其单个分子内含两种偶氮苯分子，其中双羧基偶氮苯基元两个，单氨基偶氮苯基元一个，利用偶氮苯基元两种构型之间的能量差异，当由反式过渡到顺式时可储存能量，反之能够释放热量。其特殊的分子结构宏观对称，且不同偶氮苯基元上的羧基和氨基可形成较强的分子间和分子内氢键，较传统的单种接枝偶氮苯材料在能量密度值与回复半衰期方面有很大改善，并可通过光照和加热实现热能可控释放，有利于充分利用太阳能进行光热能量转换和存储，作为太阳热燃料应用于新一代航天器的空间光控驱动和加热技术领域。

技术领域

本发明涉及光热储能技术领域，尤其涉及一种偶氮苯基光热储能分子及其制备方法和应用。

背景技术

以可持续的方式满足日益增长的全球能源需求，可以说是我们时代最重大的科学挑战。应对这一挑战需要技术的重大革新，而这又需要基础科学的进步，特别是对太阳能的捕获、转换和储存等基本过程的研究。科研人员付出相当大的努力，一直致力于发展光催化分解H₂O成H₂和O₂，将CO₂和H₂O转换成CH₃OH和O₂，以及类似的吸能转换。这一研究受到了化学和材料科学的广泛关注。而另一种迄今为止相对未经探索的太阳能储存策略是利用光化学生成高能量亚稳化合物，然后通过其热异构化能释放大量热量。光异构化反应然后进行放热回复异构化的过程可反复多次进行，代表一个封闭的以高能量的化学键储存太阳能的循环过程。它提供了独特的属性，使这种循环成为一种有用的太阳能源捕获、储存和利用的混合解决方案。这种方法是利用光敏分子使用相同的材料既转换又存储太阳能。这些分子将太阳能转换为拉紧的或重排的化学键，具有能量储存空间即基态和亚稳状态之间的能量差。母体光异构体是通过光线的照射转化为高能量的亚稳态光异构体。光异构体随后暴露于催化剂或加热被转换回原来的母体化合物。在回复转换的过程中光异构体以热的形式释放储存的能量。这些材料用于太阳能捕获，简称太阳热燃料，工作在一个在理想状态下具有高能量密度却没有退化或发散的封闭循环中并可以很方便的按“热需要”分配存储的太阳能。

偶氮苯就是一种满足这种方法要求的具有顺反两种构型的光响应材料。在特定波长的紫外光照射下，反式构型的偶氮苯会转变为顺式构型；之后在光或热的条件下，顺式构型可恢复到反式构型。两种构型之间存在能量的差异，由反式过渡到顺式能够储存能量，反之能够释放热量。在作为光热储能材料时有几个因素需要优化，包括能量存储密度，太阳光谱匹配(分子吸收太阳光谱大波段的能力)，光转换的量子产率，高能异构体的半衰期和恢复转换的能量势垒的高度等。而在单一分子系统中同时优化这些因素是一个非常有挑战的任务。偶氮苯的循环性能良好因而被广泛应用于各种光开关中，但在光热存储中的应用却被较低的能量密度所阻碍。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种偶氮苯基光热储能分子及其制备方法和应用，制备的偶氮苯基光热储能分子具有较高的能量密度和较短的半衰期。

本发明提供了一种偶氮苯基光热储能分子，具有式Ⅰ所示结构：

所述偶氮苯基光热储能分子单个分子内含三个偶氮苯基元，以共价键的方式链接于同一个苯环上，其中两个为双羧基偶氮苯基元，一个为单氨基偶氮苯基元。分子结构宏观对称，使其电子云对光子传输有谐波增强作用，较常规偶氮苯材料在单分子能量值与回复半衰期方面有很大改善。

实验结果表明，上述偶氮苯基光热储能分子在300-480nm波长的光照下其分子上的三个偶氮苯分支可实现反→顺异构。在520-620nm波长的光照下可释放热量，能量密度高达47-63Wh/kg。

在520-620nm波长的光照下，当所述分子被加热至56-82℃时，可快速释放热量1min-10min；在低温，如-5-10℃，可缓慢释放热量。

本发明还提供了上述偶氮苯基光热储能分子的制备方法，包括以下步骤：