基于阳光驱动的偶氮基太阳能热燃料的评论,能够激励研究者探索更实用、高能且长效的太阳能存储技术。
分子太阳能热燃料基于光诱导可逆结构转变特性实现单一材料系统内可逆的能量转换和存储,具有零排放、易于运输、可循环、可再生以及以热量形式按需释放等优点。本文介绍了新型偶氮基分子光开关在阳光照射下的光致可逆构型转变特性,深入讨论了该领域面临的挑战以及未来发展机遇,旨在推动分子光储能技术发展及在实际生活中的应用。
随着人口的快速增长和社会的飞速发展,全球能源需求量持续上升。预计到2030年,全球一次能源需求量将以每年约1%的速度增长,星空体育网址达到485EJ。为了应对日益严重的能源危机和环境问题,实现社会的可持续发展,可再生能源的开发与应用受到了人们的广泛关注。分子太阳能热燃料可以从特定波长的太阳光中收集光子能量,将其储存为化学能,并在外部触发时按需进行反向转换,以热能的形式释放所储存的能量。它们具有来源广泛、储量丰富、绿色环保、可控释放等优势,被认为是利用可持续太阳能最具潜力的途径之一。然而,大多数分子光开关只能在紫外或可见光范围内工作。同时,红移分子光开关吸收波长往往会降低存储能量密度或缩短半衰期。因此,开发能够在阳光下存储光子能量的分子光开关极具挑战性。
为此,研究人员开发了一系列能够在太阳光照射下完成反式-顺式异构化转变的偶氮分子光开关,其异构化产率超过80%。这种优异的特性是通过在紫外到可见光范围内使基态异构体的吸收远强于亚稳态异构体来实现的,可通过微调光谱窗口将基态异构体的吸收波长扩展至600 nm以上。涉及的分子设计策略主要有两点:(1)通过选择具有T形几何形状的Ph-N=N-Het核心来抑制亚稳态异构体的光谱吸收;(2)通过在基态异构体中引入强吸收官能团来增强其π-π*吸收带。值得注意的是,这种π-π带拓宽策略使得亚稳态异构体具有超高的热稳定性,与传统π-π带红移方法导致热稳定性差形成鲜明对比。此外,在太阳光异构化的框架中实现了可见光诱导的反向转换,从而产生独特的光可逆太阳能开关。这种新型分子光开关为开发高效的太阳能技术提供了前所未有的机会。事实上,将这些偶氮光开关用于分子光储能领域仍需确认许多其它关键参数,如储能密度、能量释放效率以及光化学反应浓度等。这些关键参数对于分子储能技术的大规模制备和工业化生产尤为重要。
分子太阳能热燃料通过光热能量的有效存储和可控释放,已逐渐成为提高太阳能利用率的重要手段。阳光驱动的偶氮分子光开关展现出高达80%异构化产率,长达90天的存储半衰期和优异的循环稳定性。虽未探究其能量存储与释放特性,但这些新兴分子所具有的特性将极大地推动分子太阳能热燃料的开发进程。我们相信,利用这些分子所开发的阳光驱动型分子储能技术不仅有望在实际生活中得到广泛应用,还将为能源行业做出有益贡献。
徐兴堂太原理工大学副教授,硕士生导师。2022年6月于北京科技大学获得博士学位,并于博士期间在北京大学工学院交流学习。2022年7月-2024年8月于太原理工大学从事师资博士后研究(合作导师:李文英教授)。目前主要从事煤基太阳能热燃料分子设计与结构优化方面的研究,主持国家自然科学基金青年项目、山西省基础研究计划青年项目、中国博士后科学基金17批特别资助及72批面上资助,作为任务负责人参与国家重点研发计划1项。以第一作者在Prog. Polym. Sci、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A及ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊上发表论文10余篇,授权中国国家发明专利3件,参编英文专著2部。
李文英太原理工大学教授,教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,国家级人才。现任省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室主任。围绕煤炭清洁高效转化利用方向,从事煤化学化工基础研究和煤炭资源化集成系统技术开发30余年。已主持完成了30余项国家级科研项目,星空体育网址成果转化1项,授权中国国家发明专利29件、发表学术期刊论文300余篇,出版著作3部,参编5部。培养研究生百余名。曾获国家、省部级科技奖励二等奖以上奖10项。
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。