偶氮苯基光致相变型太阳热能燃料的制备及其性能研究.pdf

中文摘要

偶氮苯基光致相变型太阳热能燃料的制备及

其性能研究

摘要

偶氮苯及其衍生物因其独特的光致异构化过程，使其可以在较高能态的顺式

构象和较低能态的反式构象之间可控转换，被认为是制备太阳热能燃料（STF）

的理想材料，但由于其能量存储密度低、寿命短等缺点，大大限制其进一步应用，

所以，设计并制备具有较高能量存储密度的偶氮苯衍生物被大家广泛关注。本论

文设计并合成了系列具有不同烷基链结构的偶氮苯衍生物，降低其顺式构象和反

式构象熔点使其反式构象熔点高于室温，顺式构象熔点低于室温，实现偶氮苯衍

生物室温下的固/液两相态间的可控光致转换。进一步，结合系列偶氮苯衍生物光

致异构化过程中的相变潜热，大幅度提高偶氮苯衍生物的能量存储密度，解决能

量存储密度低的问题；利用其光致相态转换性能，无溶剂化地使其与织物结合，

制备具有一定机械强度的柔性光热转换薄膜，偶氮苯衍生物与织物之间形成的超

分子作用（氢键），大大提高了其顺式构象的稳定性，进而解决储能寿命短的问题。

重点研究烷基链结构对偶氮苯衍生物光致相态转换和光热转换过程的影响，阐明

构效关系，为此类光致相态变换型偶氮苯基STF的结构设计提供理论依据。基于

此，本论文展开了如下三方面的研究工作：

（1）系列偶氮苯衍生物的设计及合成。利用偶氮苯衍生物顺式构象和反式构

象之间的热力学性质差异，设计系列具有不同烷基链结构的偶氮苯衍生物，使其

在光致异构化过程中实现固/液两相态之间的可控转换，通过重氮盐耦合、卤素取

代等方法，合成了系列具有光致相变性能的偶氮苯衍生物，通过红外光谱（FT-IR）、

1

核磁（HNMR）、质谱、元素分析等表征，确定其分子结构。

（2）系列偶氮苯衍生物光致异构化过程中可控相变和光热转换性能研究。利

用紫外-可见吸收光谱（UV-vis）研究其溶液光致顺反异构化过程和循环使用性能；

1

利用核磁共振氢谱（HNMR）研究其固体粉末状态的光致异构化过程，即实际应

用时的光热转换效率及速率；利用差热扫描量热法分析仪（DSC）研究其粉末状

态的能量存储密度和储能半衰期，总结规律，阐明不同烷基链结构对其能量存储

性能的影响。

（3）即用式偶氮苯基光热转换薄膜的制备及其性能研究。通过光致相变或热

致液化的方法，将能量存储性能较佳的偶氮苯衍生物（IM-Azo）与织物相结合，

制备IM-Azo柔性光热转换薄膜。其制备过程简便易行，无需溶剂处理，环境友

好；IM-Azo分子均匀分布于薄膜中，有利于紫外光的高效穿透，有助于其提高充

I

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能速率；IM-Azo与织物之间易形成超分子（氢键）作用，提高顺式构象IM-Azo

的稳定性，有助于提高薄膜的储能半衰期；IM-Azo光热转换薄膜具有较佳的酸碱

稳定性和柔韧性，可实现其在较复杂的环境中的应用，为柔性可穿戴设备和环境

友好型光热转换器件的设计提供新的思路。

关键词：太阳热能燃料（STF）；偶氮苯；光致相态转换；能量存储；柔性储能

薄膜

II

目录

目录

1绪论1

1.1太阳能的资源化利用1

1.2光响应型太阳热能燃料的概述2

1.3偶氮苯基太阳热能燃料的研究进展5

1.3.1基于偶氮苯衍生物的太阳热能燃料5

1.3.2基于纳米碳模板偶氮苯的太阳热能燃料11

1.3.3基于聚合物模板偶氮苯的太阳热能燃料19

1.4课题的研究意义与研究内容22

1.4.1课题的研究意义22

1.4.2课题的研究内容23

2系列光致相变型偶氮苯衍生物的合成25

2.1引言25

2.2实验部分25

2.2.1实验原料及试剂25

2.2.2实验仪器及设