太阳热能的直接利用技术是颠覆现有空间极端环境热能利用模式，构建“太空温室”系统的核心技术之一。天津大学封伟教授研究团队从2005年开始围绕“基于分子可逆转变的太阳热能循环利用技术” 开展了一系列开创性工作，并首次提出将可实现太阳热能直接利用的材料技术应用于构建未来空间极端环境的热控系统。

近日，天津大学封伟教授和冯奕钰研究员再次在光热温度控制领域取得重要研究进展，成功制备了集太阳热吸收、稳定存储与可控输出于一体的偶氮苯/石墨烯杂化燃料膜，通过控制热能的输出功率，实现了太阳热能的循环利用和温度的精确控制，为未来设计空间极端环境的热控系统提供了重要的技术支撑。该研究成果以“Efficient cycling utilization of solar-thermal energy for thermochromic displays with controllable heat output”为题在线发表于国际期刊Journal of Materials Chemistry A上。

实现太阳热能循环利用的关键是设计并制备兼具高能、长效存储与可控释放功能的太阳热燃料。光致变色分子因能发生可逆的异构化转变而成为太阳热燃料的重要潜在分子之一。尽管目前已经报道了一些光热燃料，但由于分子能级差与回复势垒相互制约，如何通过分子设计实现高能量存储与快速热释放，如何优化激励诱导方式，达到提高输出功率进而精确控制体系温度的目标仍然面临巨大的挑战。

封伟教授研究团队在前期分子设计与功能实现（Chem. Soc. Rev. 2018, DOI: 10.1039/C8CS00470F）研究基础上，设计并合成了三枝磺酸偶氮苯接枝石墨烯杂化材料作为核心太阳热燃料。通过控制接枝密度（1：60-70）和空间构型，形成多个分子内/间氢键作用，大幅提高了分子异构体的能级差；并提出控制异构化程度提高光热存储容量的关键技术，使得太阳热燃料的能量密度达到150.3 Wh/kg（图1），比对应的双枝（131Wh/kg）和单枝分子（75 Wh/kg）分别高14%和100%。同时，分子内的空间位阻提高了存储稳定性，其半衰期可达50天以上，实现了高能量与稳定存储的兼顾。

图1. 偶氮苯/石墨烯杂化燃料的能量密度、存储稳定性与功率密度

燃料分子对太阳热可逆循环利用是实现温度控制的重要前提。针对固态燃料放热速率慢的问题，研究人员通过优化激励诱导方式，实现了偶氮苯/石墨烯太阳热燃料杂化膜的快速热释放；并通过控制热能的输出功率，实现了温度在2-7℃范围内的精确控制，使得热致变色装置发生可逆的颜色转变（图2），达到稳定提供太阳热能的目标。研究显示，杂化燃料膜的光热利用率可达10.2%，并且在低温（0℃）下存储超过30天，其利用率仍可达9.1%。该研究成果为未来设计并构建“太空温室”系统的热控涂层提供了重要的技术支撑。

图2.（a）热致变色装置及其（b）温度可逆变化图

该研究成果近日发表于Journal of Materials Chemistry A（2018, DOI: 10.1039/C8TA05333B），第一作者是杨伟翔硕士，通讯作者是封伟教授和冯奕钰研究员。

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