偶氮苯-多壁碳納米管復(fù)合材料的合成及其光儲熱性能研究.pdf

1、為了進一步開發(fā)和利用太陽能，越來越多的專家學(xué)者開始研究太陽能高效轉(zhuǎn)換與儲存技術(shù)。其中光化學(xué)儲能作為一種新的儲能技術(shù)，在太陽能儲存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　偶氮苯分子在特定波長的光照下會從反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)變的過程中將光能儲存在化學(xué)鍵中，然后在外界刺激下又會回復(fù)至反式構(gòu)型，且在回復(fù)過程中以熱能的形式釋放出能量，從而完成一個光儲熱循環(huán)。由于偶氮苯類有機分子在光致異構(gòu)化轉(zhuǎn)變過程中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性，使其在太陽熱

2、能儲存領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。但傳統(tǒng)偶氮苯類有機分子因理論儲能密度低、半衰期短等缺陷而極大地限制了其應(yīng)用。
　　本文通過分子設(shè)計的方式，采用重氮-偶合法制備了三種含有不同對位取代基（羥基、羧基、二甲氨基和乙氧基）的偶氮苯分子，并選擇出適宜的偶氮苯分子(AZO)作為光儲能部分，運用硅烷偶聯(lián)劑（KH550）將偶氮苯分子共價接枝到多壁碳納米管表面得到偶氮苯/多壁碳納米管復(fù)合材料（AZO-MCNTs）。通過共價鍵合使得偶氮苯分子在多壁碳納

3、米管上有序排列，增強了多壁碳納米管表面偶氮苯分子的相互作用，最終獲得了能量密度高和穩(wěn)定性好的AZO-MCNTs。研究過程中開展的具體工作如下所示：
　?。?）先通過分子設(shè)計，采用重氮-偶合法合成了三種具有不同對位取代基的偶氮苯分子，利用核磁共振氫譜（1H NMR）、傅里葉變換紅外吸收光譜（FT-IR）等分析手段對其結(jié)構(gòu)進行表征。采用紫外可見分光光度計測定偶氮苯分子的紫外可見吸收光譜（UV-Vis）進一步來表征其 Lambert-B

4、eer行為、光致順反異構(gòu)化性能及循環(huán)穩(wěn)定性；運用熱失重（TGA）分析研究其熱穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，所合成的三種偶氮苯分子均具有可逆的光致順反異構(gòu)化現(xiàn)象、循環(huán)穩(wěn)定性良好、溶液吸光度與濃度的關(guān)系符合Lambert-Beer定律，而且在180℃以下均具有很好的熱穩(wěn)定性。最終通過對比三種偶氮苯分子的UV-Vis光譜，選擇AZO-3（其在可見光區(qū)有較強吸收）作為光儲能材料的光儲能部分。
　?。?）采用 KH550對酸化多壁碳納米管進行硅烷化

5、（coupled-MCNTs），并利用coupled-MCNTs上的氨基與AZO-3（后文用AZO代替）上的羧基反應(yīng)，制備出光儲能材料（AZO-MCNTs）。測試結(jié)果表明AZO成功鍵接到多壁碳納米管上，而且X射線光電子能譜（XPS）的結(jié)果顯示，AZO-MCNTs的接枝密度達到平均每54個碳原子鍵合一個AZO（1:54）。由于納米模板為多壁碳納米管，且反應(yīng)只發(fā)生在多壁碳納米管表面，說明表面接枝密度較高。高接枝密度縮短了多壁碳納米管表面相鄰

6、AZO分子的分子間距離，增強了AZO分子間相互作用，可顯著提高單分子的順反能級差和回復(fù)熱勢壘，從而提高 AZO-MCNTs復(fù)合材料的儲能密度和儲存穩(wěn)定性，可用于短期高能的太陽能熱儲存應(yīng)用。
　?。?）對 AZO-MCNTs復(fù)合材料光儲熱性能進行了研究。實驗結(jié)果表明，AZO-MCNTs具有光致異構(gòu)化現(xiàn)象、回復(fù)半衰期達到14h，其回復(fù)半衰期相比于AZO分子提高了2個數(shù)量級且AZO-MCNTs保持了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在30次循環(huán)下吸光度