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浙江樹人學(xué)院董立奇/西湖大學(xué)劉剴/天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì) Small:一種新型偶氮苯基光熱織物可用于可穿戴熱管理
2024-09-18  來源:高分子科技

  偶氮苯偶氮苯(azo)基光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)(MOST)因其在太陽能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存方面的潛力引起了人們的極大興趣。但由于儲(chǔ)能過程依賴溶劑和特定波長(zhǎng)的光源(通常為365 nm紫外光)、儲(chǔ)存壽命短(從幾分鐘到幾天不等)、能量釋放時(shí)達(dá)到的溫度水平較低(2~30℃)、在寒冷環(huán)境下熱釋放性能受限、剛性強(qiáng)和可穿戴性能差等缺陷限制了其實(shí)際應(yīng)用。


  近日,浙江樹人學(xué)院交叉科學(xué)研究院董立奇老師聯(lián)合西湖大學(xué)劉剴教授團(tuán)隊(duì)和天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)通過采用靜電紡絲技術(shù),將具有光致固液相變特性的偶氮苯單體與商用聚丙烯腈織物復(fù)合,開發(fā)出一種新型的偶氮苯基光熱織物。這種織物在可見光范圍內(nèi)具有高效的光誘導(dǎo)儲(chǔ)熱(綠光)和放熱(藍(lán)光)性能、儲(chǔ)-放熱過程無溶劑操作、能量可長(zhǎng)期儲(chǔ)存(706天),并且在室溫和寒冷環(huán)境下能夠釋放高達(dá)85~94°C的熱量(圖1)。此外,織物在1500次彎曲循環(huán)、18小時(shí)洗滌或6小時(shí)浸泡后保持了較高的柔韌性,儲(chǔ)熱-放熱性能也沒有明顯損失。該研究顯示,該織物在熱釋放階段產(chǎn)生的高溫?zé)崃渴怯膳嫉絾误wZ-to-E異構(gòu)化能量、液-固相變潛熱和420 nm光輻照產(chǎn)生的光熱效應(yīng)協(xié)同放熱大的結(jié)果。同時(shí),可以通過調(diào)節(jié)光輻照強(qiáng)度來控制熱釋放時(shí)候的溫度高低,以進(jìn)行熱管理。最后證明了該光熱織物在室溫?zé)岑熀偷蜏乇E矫娴膶?shí)際適用性,為可穿戴個(gè)人熱管理提供了一個(gè)有前景的候選者。該工作以“An innovative azobenzene-based photothermal fabric with excellent heat release performance for wearable thermal management device”為題發(fā)表在《Small》上(https://doi.org/10.1002/smll.202404310)。文章第一作者是西湖大學(xué)學(xué)生吳煜棟。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(國(guó)創(chuàng)計(jì)劃)、山東省先進(jìn)材料與綠色制造煙臺(tái)實(shí)驗(yàn)室開放課題以及浙江樹人學(xué)院人才引進(jìn)計(jì)劃的支持。


圖1 新型偶氮苯基光熱織物的優(yōu)異性能


  該工作是近期偶氮苯光熱儲(chǔ)能材料在實(shí)際應(yīng)用方面的最新進(jìn)展之一,具有綠色和可擴(kuò)展的制備工藝、出色和可控的儲(chǔ)、放熱性能以及優(yōu)異的可穿戴性能。其中,四鄰位氟原子的引入賦予偶氮苯單體在可見光范圍內(nèi)高效的光儲(chǔ)熱和放熱優(yōu)勢(shì);對(duì)位長(zhǎng)烷基鏈的引入賦予偶氮苯分子具有光誘導(dǎo)可逆固液相變的特性,使得儲(chǔ)熱不再依賴溶劑輔助(圖2)。得益于偶氮苯單體和聚丙烯腈織物模板之間較大的空間位阻和分子間相互作用,光熱織物表現(xiàn)出超長(zhǎng)的儲(chǔ)能壽命和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(圖3)。獲得的偶氮苯光熱織物保留了聚丙烯腈固有的耐候性和耐日曬性,并增強(qiáng)了其疏水性和柔韌性,有助于材料的可穿戴性能(圖4)。憑借上述優(yōu)勢(shì),該織物為存儲(chǔ)和利用太陽能用于個(gè)人熱管理和醫(yī)療治療應(yīng)用開辟了一條可持續(xù)和高效的途徑,也是按需環(huán)境中能源管理和熱控制的有前景的替代品。


圖2 偶氮苯單體的分子結(jié)構(gòu)和光誘導(dǎo)可逆固液相變行為。a)偶氮苯分子的E和Z構(gòu)型;b)不同波長(zhǎng)光照下偶氮苯單體的紫外-可見光光譜;在520 nm (c)和420 nm (d)光輻照下,偶氮苯的異構(gòu)體組成隨輻照時(shí)間的變化曲線;e-g)在520 nm光儲(chǔ)熱和420 nm光照放熱后,偶氮苯單體的光學(xué)顯微鏡圖像、數(shù)碼圖像和1H NMR光譜。


圖3 偶氮苯基光熱織物的制備(a)、組成成分(b)、SEM圖像(c-e)、光異構(gòu)化性質(zhì)(f)、熱動(dòng)力學(xué)(g)以及已報(bào)道不同類型的偶氮苯基光熱儲(chǔ)能材料的半衰期比較(h)。


圖4 織物的可穿戴性測(cè)試:a-b)織物的儲(chǔ)熱-放熱循環(huán)性;c)織物的彎曲性能;d-f)織物的疏水性表征;g)織物經(jīng)過不同時(shí)間持續(xù)洗滌后進(jìn)行熱釋放的最高溫度;h) 織物經(jīng)過不同時(shí)間浸泡后進(jìn)行熱釋放的最高溫度。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202404310

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