偶氮苯/多壁碳纳米管复合材料的合成及其光储热性能研究

摘要

为了进一步开发和利用太阳能，越来越多的专家学者开始研究太阳能高效转换与储存技术。其中光化学储能作为一种新的储能技术，在太阳能储存领域具有广阔的应用前景。
　　偶氮苯分子在特定波长的光照下会从反式结构转变为顺式结构，在转变的过程中将光能储存在化学键中，然后在外界刺激下又会回复至反式构型，且在回复过程中以热能的形式释放出能量，从而完成一个光储热循环。由于偶氮苯类有机分子在光致异构化转变过程中表现出良好的循环稳定性和可逆性，使其在太阳热能储存领域具有极大的应用潜力。但传统偶氮苯类有机分子因理论储能密度低、半衰期短等缺陷而极大地限制了其应用。
　　本文通过分子设计的方式，采用重氮-偶合法制备了三种含有不同对位取代基（羟基、羧基、二甲氨基和乙氧基）的偶氮苯分子，并选择出适宜的偶氮苯分子(AZO)作为光储能部分，运用硅烷偶联剂（KH550）将偶氮苯分子共价接枝到多壁碳纳米管表面得到偶氮苯/多壁碳纳米管复合材料（AZO-MCNTs）。通过共价键合使得偶氮苯分子在多壁碳纳米管上有序排列，增强了多壁碳纳米管表面偶氮苯分子的相互作用，最终获得了能量密度高和稳定性好的AZO-MCNTs。研究过程中开展的具体工作如下所示：
　　（1）先通过分子设计，采用重氮-偶合法合成了三种具有不同对位取代基的偶氮苯分子，利用核磁共振氢谱（1H NMR）、傅里叶变换红外吸收光谱（FT-IR）等分析手段对其结构进行表征。采用紫外可见分光光度计测定偶氮苯分子的紫外可见吸收光谱（UV-Vis）进一步来表征其 Lambert-Beer行为、光致顺反异构化性能及循环稳定性；运用热失重（TGA）分析研究其热稳定性。实验结果表明，所合成的三种偶氮苯分子均具有可逆的光致顺反异构化现象、循环稳定性良好、溶液吸光度与浓度的关系符合Lambert-Beer定律，而且在180℃以下均具有很好的热稳定性。最终通过对比三种偶氮苯分子的UV-Vis光谱，选择AZO-3（其在可见光区有较强吸收）作为光储能材料的光储能部分。
　　（2）采用 KH550对酸化多壁碳纳米管进行硅烷化（coupled-MCNTs），并利用coupled-MCNTs上的氨基与AZO-3（后文用AZO代替）上的羧基反应，制备出光储能材料（AZO-MCNTs）。测试结果表明AZO成功键接到多壁碳纳米管上，而且X射线光电子能谱（XPS）的结果显示，AZO-MCNTs的接枝密度达到平均每54个碳原子键合一个AZO（1:54）。由于纳米模板为多壁碳纳米管，且反应只发生在多壁碳纳米管表面，说明表面接枝密度较高。高接枝密度缩短了多壁碳纳米管表面相邻AZO分子的分子间距离，增强了AZO分子间相互作用，可显著提高单分子的顺反能级差和回复热势垒，从而提高 AZO-MCNTs复合材料的储能密度和储存稳定性，可用于短期高能的太阳能热储存应用。
　　（3）对 AZO-MCNTs复合材料光储热性能进行了研究。实验结果表明，AZO-MCNTs具有光致异构化现象、回复半衰期达到14h，其回复半衰期相比于AZO分子提高了2个数量级且AZO-MCNTs保持了良好的循环稳定性，在30次循环下吸光度几乎无衰减；TGA曲线表明AZO-MCNTs具有良好的热稳定性；DSC曲线表明AZO-MCNTs能量密度高达到77Wh/kg，相比于AZO的能量密度提高92.5％。
　　因此，AZO-MCNTs是一种很有潜力的光储能材料，并且上述研究结果对AZO-MCNTs复合材料在光储热领域的研究发展具有一定的指导意义。

目录

第一章 绪 论

1.1 太阳光储热

1.2 偶氮苯衍生物

1.3 偶氮苯/碳纳米复合材料

1.4 偶氮苯/碳纳米复合材料的光储能研究

1.5 研究目的和意义

1.6 研究内容和课题来源

第二章 偶氮苯衍生物的合成

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 表征与测试

2.4 结果与讨论

2.5 小结

第三章 偶氮苯/多壁碳纳米管复合材料的制备

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 实验部分

3.4 测试与表征

3.5 结果与讨论

3.6 小结

第四章 偶氮苯/多壁碳纳米管复合材料的性能研究

4.1 引言

4.2 实验试剂和设备

4.3 UV-Vis吸收光谱及其光致异构化行为

4.4 稳定性分析

4.5 储能性能

4.6 小结

全文总结

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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