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浙江樹人學院董立奇/西湖大學劉剴/天津大學封偉教授團隊 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）基光熱儲能系統（MOST）因其在太陽能轉換和儲存方面的潛力引起了人們的極大興趣。但由于儲能過程依賴溶劑和特定波長的光源（通常為365 nm紫外光）、儲存壽命短（從幾分鐘到幾天不等）、能量釋放時達到的溫度水平較低（2~30℃）、在寒冷環境下熱釋放性能受限、剛性強和可穿戴性能差等缺陷限制了其實際應用。

近日，浙江樹人學院交叉科學研究院董立奇老師聯合西湖大學劉剴教授團隊和天津大學封偉教授團隊通過采用靜電紡絲技術，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合，開發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具有高效的光誘導儲熱（綠光）和放熱（藍光）性能、儲-放熱過程無溶劑操作、能量可長期儲存（706天），并且在室溫和寒冷環境下能夠釋放高達85~94°C的熱量（圖1）。此外，織物在1500次彎曲循環、18小時洗滌或6小時浸泡后保持了較高的柔韌性，儲熱-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生的高溫熱量是由偶氮苯單體Z-to-E異構化能量、液-固相變潛熱和420 nm光輻照產生的光熱效應協同放熱大的結果。同時，可以通過調節光輻照強度來控制熱釋放時候的溫度高低，以進行熱管理。最后證明了該光熱織物在室溫熱療和低溫保暖方面的實際適用性，為可穿戴個人熱管理提供了一個有前景的候選者。該工作以“An innovative azobenzene-based photothermal fabric with excellent heat release performance for wearable thermal management device”為題發表在《Small》上（https://doi.org/10.1002/smll.202404310）。文章第一作者是西湖大學學生吳煜棟。該研究得到國家自然科學基金、國家大學生創新創業訓練計劃（國創計劃）、山東省先進材料與綠色制造煙臺實驗室開放課題以及浙江樹人學院人才引進計劃的支持。

圖1 新型偶氮苯基光熱織物的優異性能

該工作是近期偶氮苯光熱儲能材料在實際應用方面的最新進展之一，具有綠色和可擴展的制備工藝、出色和可控的儲、放熱性能以及優異的可穿戴性能。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高效的光儲熱和放熱優勢；對位長烷基鏈的引入賦予偶氮苯分子具有光誘導可逆固液相變的特性，使得儲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，光熱織物表現出超長的儲能壽命和良好的循環穩定性（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）。憑借上述優勢，該織物為存儲和利用太陽能用于個人熱管理和醫療治療應用開辟了一條可持續和高效的途徑，也是按需環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構和光誘導可逆固液相變行為。a)偶氮苯分子的E和Z構型；b)不同波長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，偶氮苯的異構體組成隨輻照時間的變化曲線；e-g)在520 nm光儲熱和420 nm光照放熱后，偶氮苯單體的光學顯微鏡圖像、數碼圖像和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)、光異構化性質(f)、熱動力學(g)以及已報道不同類型的偶氮苯基光熱儲能材料的半衰期比較(h)。

圖4 織物的可穿戴性測試：a-b)織物的儲熱-放熱循環性；c)織物的彎曲性能；d-f)織物的疏水性表征；g)織物經過不同時間持續洗滌后進行熱釋放的最高溫度；h) 織物經過不同時間浸泡后進行熱釋放的最高溫度。

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

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（責任編輯：xu）

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