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  為了應(yīng)對現(xiàn)階段能源危機(jī)和環(huán)境問題，尋找清潔可再生能源是解決能源和環(huán)境問題的關(guān)鍵。光能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，將光能進(jìn)行轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)利用是解決能源問題的關(guān)鍵。  

  太陽熱燃料可實(shí)現(xiàn)對光熱能的穩(wěn)定存儲(chǔ)和循環(huán)利用，是實(shí)現(xiàn)空間熱管理系統(tǒng)的重要能源之一。偶氮苯由于其異構(gòu)化可調(diào)控和可逆性好的特點(diǎn)，是一種具有良好光響應(yīng)性的分子。但偶氮基光熱存儲(chǔ)材料受其分子結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致其存在能量密度低、放熱速率慢和異構(gòu)化程度低等缺點(diǎn)，限制了在光熱存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

  針對固態(tài)太陽熱燃料放熱速率慢的問題，近日天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)將咪唑雜環(huán)引入到偶氮分子中，制備了一種具有低溫快速熱釋放功能的雜環(huán)偶氮基雜化材料（i-Azo-h/rGO），并實(shí)現(xiàn)了熱加密/解密的應(yīng)用。

圖1. i-Azo-h/rGO順式和反式結(jié)構(gòu)及其“烏龜”狀光熱膜

  該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)利用推拉電子結(jié)構(gòu)，增加分子的異構(gòu)化速率，實(shí)現(xiàn)光熱材料的快速熱釋放。引入咪唑雜環(huán)，引入了氫鍵，降低分子量，同時(shí)結(jié)合還原氧化石墨烯（rGO）模板增強(qiáng)分子間相互作用，增加了穩(wěn)定性（光熱膜半衰期為12 days）及儲(chǔ)熱密度（能量密度為105 Wh/kg）。

  i-Azo-h/rGO具有低溫快速熱釋放性質(zhì)，黑暗條件下的一階動(dòng)力學(xué)常數(shù)為=1.28×10^-6s^-1，功率密度可達(dá)2380 W/kg，分別比沒有氫鍵的偶氮基雜化材料和有氫鍵但放熱速率慢的偶氮基雜化材料高44.2%和178.0%。通過對其光熱膜在不同誘導(dǎo)條件和不同充熱程度下進(jìn)行熱釋放監(jiān)測，探索了放熱規(guī)律。如何實(shí)現(xiàn)低溫下快速集中放熱是實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的熱管理及關(guān)鍵區(qū)域溫度的控制的關(guān)鍵。

圖2. “烏龜”狀i-Azo-h/rGO光熱膜放熱過程的溫度變化�！盀觚敗睜罟鉄崮ぴ冢╝）45°C，（b）60°C和（c）綠光（535nm，80Wcm^-2）環(huán)境下的示意圖及其熱釋放過程的IR圖像）。（d）在不同條件下熱釋放誘導(dǎo)的膜的溫差-時(shí)間擬合曲線。（e）在不同溫度下薄膜的最大溫差ΔT_max和所需時(shí)間t_c。

  以具有快速熱釋放功能的光熱膜為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)將光熱存儲(chǔ)材料應(yīng)用在“密鑰”功能實(shí)現(xiàn)。將熱致變色顏料與光熱材料結(jié)合，通過控制光熱存儲(chǔ)材料的放熱量來實(shí)現(xiàn)熱致變色顏料的顏色變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對信息的加密和解密（“密鑰”）。將變色顏料（變色溫度為62℃）繪制“888”，下面放置光熱膜，對特定區(qū)域下的光熱膜進(jìn)行充熱，完成加密過程；放置在一定溫度（60℃）下，光熱膜的熱量被釋放，使得變色顏料發(fā)生變色，顯示“986”。熱量釋放完全之后，再次充熱使用，如圖3（a）所示，變色顏料顯示“405”。該可逆循環(huán)利用的顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了解密的雙重響應(yīng)（溫度和時(shí)間），為未來實(shí)現(xiàn)新型信息加密提供了設(shè)計(jì)思路。

圖3. i-Azo-h/rGO光熱膜結(jié)合熱致變色油墨的信息編碼/讀數(shù)顯示。（a）在特定區(qū)域?qū)δぃㄓ肬V光照射）的選擇性充熱（加密），在62℃下熱釋放，實(shí)現(xiàn)“888”到“986”的解密顯示。放熱后，再次充熱放熱后還可以顯示“405”�；诳赡娉浞艧醽砑用�/解密信息。（b）實(shí)現(xiàn)在綠光（535nm，80WWcm^-2）照射下讀取“黑色”或“紅色”。（c）基于熱釋放的光熱膜的雙重加密/解密（時(shí)間和溫度）。

  相關(guān)研究成果近期以“Solid-State High-Power Solar Heat Output of 4-((3,5-Dimethoxyaniline)- diazenyl)2-imidazole/graphene Film for Thermally Controllable Dual Data Encoding/Reading”為題發(fā)表在Energy Storage Materials期刊

（DOI:10.1016/j.ensm.2019.06.005）上，第一作者為碩士研究生閻清海，通訊作者為天津大學(xué)封偉教授和馮奕鈺教授。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.06.005