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分子太阳能储能材料（MOST）能够有效捕捉太阳能，通过分子异构将能量储存与化学键中，在光刺激下以热能的形式进行释放。因其集太阳能吸收、转化、储存以及释放为一体的特性受到广泛关注以及研究，尤其是在个人热管理领域。但由于分子太阳能储能材料能量密度低、易泄露、牢度差等问题限制分子太阳能储能基的个人热管理织物的开发与利用。
为解决上述问题，江南大学王潮霞教授团队和上海交大李涛教授团队合成了光能-相变能双吸收的吡唑基偶氮苯分子，设计并制备了UV滤光型MOST微胶囊，将其负载到织物上获得高效耐久的分子太阳能储能织物。UV滤光的壳材能够去除部分深紫外光，使得吡唑基偶氮苯分子即使在广波段UV光照下仍能达到93%异构转化比例。此外，在2000次能量充放、50次水洗、50次摩擦后MOST织物仍具备高效太阳能储能密度（119 J g-1）。针对人体特定穴位，MOST织物可用于人体健康管理等领域。相关工作由江南大学王潮霞教授和上海交大李涛教授为通讯作者，江南大学博士生费良和上海交大张召阳博士为共同第一作者，以“Efficient and Robust Molecular Solar Thermal Fabric for Personal Thermal Management”发表在《Advanced Materials》。
[UV滤光型MOST微胶囊]
图1 MOST微胶囊合成及异构储能性能
以吡唑基偶氮苯分子为芯材，以羟基二苯甲酮和苯乙烯聚合物为壳材，构建了UV滤光型MOST微胶囊。探究吡唑基偶氮苯分子在UV滤光型壳材保护下的异构性能，尤其是在广波段UV光照（260-380 nm）下的异构比例。UV滤光型壳材能够有效提升吡唑基偶氮苯分子的异构转化率，达到与单色光源（365 nm）照射下近乎同等水平。吡唑基偶氮苯分子顺反异构下相变点能够发生变化，即在顺式状态下吡唑基偶氮苯分子的熔点和凝固点明显下降，甚至在-45 ℃下仍以液态（储能态）形式存在。通过结合分子光异构与相变能量储存，MOST微胶囊总能量密度达到119 J g-1。
[MOST织物设计]
图2 MOST织物构建及发热性能
将UV滤光型MOST微胶囊通过印花技术构建分子太阳能储能织物（MOST织物）。在可见光光源下，充能（UV光照）后的MOST织物对比未充能状态下MOST织物具有更高的表面温度，温差达到6 ℃。这是由于顺式吡唑基偶氮苯分子在可见光光源下刺激异构回复并伴随着相态变化（液态向固态转变），释放储存在分子内部的异构能以及相变能。并在50次水洗循环下，仍能表现出高效稳定的发热性能。
[可视化能量监控]
图3 MOST织物颜色与能量密度关系
研究团队基于吡唑基偶氮苯分子异构前后光致变色机理，建立颜色参数、异构比例以及能量密度三者之间的关系。通过颜色变化进一步对实时状态下的能量储存状态进行可视化监控。颜色深度（K/S）与能量储存密度之间存在线性关系，并且实验数据值与计算曲线高度拟合。根据实际颜色与储能密度之间对应关系，构建颜色-能量密度指示器，实现精细化能量管理。
[个人热管理织物应用]
图4 MOST织物个人热管理应用
将MOST微胶囊在人体特定穴位上进行印制，制备可用于个人热管理的MOST织物。通过在特定穴位处的能量释放实现对人体温度管理，并监控人体表面微环境温度（TH）变化。在可见光光源下，充能（UV光照）后的MOST织物对比未充能状态下MOST织物表现出更高的TH，温差达到3 ℃。随着光照强度的增加，最高可达到的TH逐渐升高，可达到53 ℃。这种集太阳能能量吸收、储存、释放一体的个人热管理织物有望满足人体热管理需求。
[小结]
总之，本文设计并制备了一种 UV滤光型MOST微胶囊，并构建了一种高效耐久的分子太阳能储能织物。通过UV滤光型特性提高吡唑基偶氮苯分子在广波段UV光照下的异构转化效率，并基于光致变色性能对能量进行可视化监控，最终也为后续在柔性太阳能储存、人体热管理应用等领域奠定基础。
上述工作得到了国家自然科学基金委、上海交通大学绍兴新能源与分子工程研究院开放基金、中国博士后科学基金会等科研基金的资助。
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来源：高分子科学前沿
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