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工学院于海峰课题组在高分子复合材料用于柔性可控太阳能热燃料方面取得进展

近日,北京大学工学院于海峰课题组基于高分子复合材料,开发了一种柔性可控的太阳能热燃料电池,以一种商业化织物为模板,与一种可在室温下发生光致固液相态转变的偶氮苯衍生物分子复合,该复合材料可以实现可逆、可控的太阳能存储以及热能释放。

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太阳能存储及热能释放

任你博太阳能作为一种持续可再生的清洁能源,受到广泛的关注和研究。实现可控的太阳能存储和释放是利用太阳能最为关键的一步。目前,研究较普遍的存储太阳能的方式有光伏发电、光热转换、光催化分解水储氢等。其中一些存储方式已经实现商品化,比如太阳能电池以及太阳能热水器等就分别是光伏发电和光热转换的商品化实例。近年来,太阳能热燃料(Solar thermal fuels)吸引了越来越多研究者的注意,它的工作原理是将太阳能转化为储能物质的化学能,即不同分子构象的能量差,并存储起来,在特定刺激下将该部分化学能以热的形式释放出来。这就需要材料可以在光照下发生分子构象的变化,且该变化可逆。偶氮苯材料是一种可发生光致顺反异构反应的材料,反式偶氮苯为稳态,能量较低;顺式偶氮苯为亚稳态,能量较高,二者可以在特定条件下相互转化,符合太阳能热燃料的需求。此外,基于偶氮苯材料的太阳能热燃料相对于降冰片二烯↔四环庚烷体系或金属配位富瓦烯体系,具有明显的低成本和低降解的优势。

课题组在前期的合作研究中发现,将相变储能材料聚氧化乙烯( PEO)作为聚氨酯大单体的组分在多孔氧化铝纳米模板中聚合,可以得到聚氨酯作为固-固相变的储能材料,与没有模板聚合的块体材料相变,其相变储能能力大大提高,主要原因是纳米模板诱导了PEO 的结晶与取向(ACS Applied Polymer Materials 、2019, 1,(11), 2924-2932,Supplementary Cover Art)。

于海峰课题组成果发表于ACS Applied Polymer Materials.jpg

ACS Applied Polymer Materials封面文章

在此基础上,于海峰课题组近日开发了一种柔性的太阳能热燃料电池器件,以商业化生产的织物作为模板,与一种可在室温下发生光致固态→液态相转变的偶氮苯衍生物材料复合。这种基于高分子复合材料的固态太阳能热燃料电池,可以在不借助任何溶剂的情况下实现可逆、可控的能量存储和释放。由于该体系中偶氮苯衍生物具有光致相变性能,它存储的能量不仅包括偶氮苯分子不同异构体的能量差,还包括不同相态的能量差,从而提高了材料的储能能力。此外,织物模板的使用改善了偶氮苯衍生物材料的储能性能,即储能密度和存储寿命提高。该热燃料电池器件的热量释放过程采用红外热成像仪进行实时监控,可视化地展现了它可控的能量释放。相关论文在线发表于Advanced Energy Materials任你博,并作为当期杂志的Back Cover。

Advanced Energy Materials封底文章

任你博论文第一作者胡婧是北京大学在读博士生。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助。

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