天津大学封伟教授带领团队荣获2023年度天津市自然科学一等奖

2024年9月14日，天津市科技大会暨科学技术奖励大会在天津大礼堂隆重召开。市委书记陈敏尔出席会议并讲话，市委副书记、市长张工主持。会议宣读了《天津市人民政府关于颁布2023年度天津市科学技术奖的决定》。市领导同志为2023年度天津市科学技术奖获奖代表颁奖。

天津大学材料学院封伟教授团队因在偶氮基光响应材料方面的显著成就，牵头完成的“偶氮基光响应材料的分子设计与能量转化基础理论”项目荣获天津市自然科学一等奖。

全球气候变暖以及能源危机使世界能源前景令人不安，急需开发可再生和可持续能源技术和发展战略，以减少对目前全球经济主要推动力的传统化石燃料的依赖。而太阳能可以说是我们星系中最为丰富的、取之不尽的自然资源。因此，发展对太阳能进行俘获、转换、储存的创新技术显得尤为重要。现如今，已经有各种各样的技术手段来利用太阳能，比如：太阳光电技术、太阳热收集装置、人工光合作用以及太阳光热燃料。其中，太阳能热燃料（Solar Thermal Fuels）可以通过光开关分子的结构转换和空间结构的重排来储存来自太阳辐射的能量，然后以热的形式可控释放能量。这种封闭循环能够在单一材料系统内实现可逆的太阳能转换和能量存储，具有零排放、易于运输、可循环、可再生性、以及以热量形式按需释放等优点。

“能量的相互转化”是人类从自然界获取能源的重要基础。光响应分子的可逆结构转变不仅是实现光能转化与循环利用的重要方式，而且是深入理解光-热/机械能转化热力学过程的核心。偶氮苯因具有独特的光诱导可逆结构转变特性而成为实现光-热存储与可控释放的重要潜在材料，受到科研工作者的关注。偶氮苯光热存储与释放循环体系主要依赖具有光诱导可逆构型转变的N=N分子结构。其基本过程为：处于低能态的偶氮苯分子（trans-Azo），吸收特定波长的光子，克服双键/单键结构发生异构化所需的标准自由能，跃迁至具有较高能量的亚稳态结构（cis-Azo），从而将光能存储于化学键中（高能态与低能态之间的能级差为“ΔH”）；由于高能态构型的偶氮苯分子热力学不稳定性，在光/热/力等外界能量刺激下，亚稳态偶氮苯分子会克服能垒（ΔEa）回复到低能态构型，并伴随着将存储的能量“ΔH”以热的形式释放，从而实现光—热的可逆存储与释放循环（如下图所示）。但受分子能级、聚集态结构和宏观状态多重制约，偶氮基光响应材料从微观、介观至宏观的跨尺度手性/能量转化的热力学机理尚不明确，导致转化的可控性和应用受到制约。

封伟教授团队长期致力于偶氮基光响应材料的研究，旨在解决一系列关键科学问题和技术挑战。天津大学封伟团队是国际上较早关注有机分子光热能研究的课题组，他们长期致力于光热材料的开发，早在2006年在国家自然科学基金面上项目的支持下就发表了国际上第一个具有光热能分子异构化结构的偶氮苯-碳纳米管文章。同时，在国家自然科学基金重点项目、科技部973项目等支持下，从分子轨道理论和光控热力学理论出发，提出了偶氮基光响应分子设计新策略以及聚集态微纳结构和手性调控的新原理，阐明了分子构型转变与光-热/机械能转化过程的本征构效关系，突破了从微观到宏观跨尺度光能/手性转化的技术瓶颈。除了在机理方面的研究突破，天津大学封伟教授团队还为国家相关领域产业的发展提供了有力的技术支持。

这一奖项的获得，是对他们多年来不懈努力和卓越成就的高度认可。相信在未来，他们将继续在偶氮基光响应材料研究领域砥砺前行，为推动科技进步和产业发展做出更大的贡献。