《Smartmat》封面：在-40 °C下利用微流控装置实现光驱动温度控制和能量运输
目前能源在低温运输过程中面临热损耗以及温度控制困难的问题，因此在低温环境下能量的采集、输送和利用面临着巨大挑战。尤其是在航空航天领域，热能控制与利用已成为解决太空极寒环境温度波动问题的关键技术之一。在低温条件下，热能控制主要取决于能量的可控吸收、存储、传输和释放。因此通过分子设计，制备低温环境下能量利用的材料，并实现低温下可控驱动和输出，为实现低温下能量长期热控制和热量释放平衡提供了可能性。
近日，天津大学封伟教授团队设计合成了一类可在低温下使用的烷氧基接枝光响应偶氮苯相变材料（a-g-Azo PCMs，图1a），这类材料在极低温度（-40 °C）下依然能够有效解决普通光热相变材料存在的能量密度低和低温下无法使用的问题。同时设计并制造了一种新型三支光驱动微流控控制装置（LMCD），用于低温分布式能量回收，最低可实现在-40 °C下的使用。该系统首次实现在低温下使用光源同时实现热能的可控存储和释放以及能量智能运输的双重调节。该系统通过实现能量长距离和远程热释放，从而解决了当前热传输系统低温下传热效率低和热损失高的问题。未来，该装置可成为航空航天领域极冷环境温度下实现热量调控的核心技术。
相关研究成果近期以“Delivery and utilization of photo-energy for temperature control using a light-driven microfluidic control device at −40 °C”为题发表在期刊Smartmat上。天津大学材料学院博士生葛婧为论文第一作者，天津大学封伟教授与冯奕钰教授为论文通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金重点项目的支持。
研究内容
1、材料结构与表征
结合长链烷烃和偶氮光热分子制备了光响应偶氮苯相变材料。通过调节光响应偶氮苯相变材料中偶氮苯主体部分和烷氧基链的长度和比例，优化了热输出模式。通过表征分子的化学结构和分子在不同温度以及环境条件下的异构化速率，验证了可在低温下使用的具有异构化速度可调的光响应偶氮苯相变材料（图1）。
图1 光响应偶氮苯相变材料（a-g-Azo PCMs）的分子结构性能表征。（a）光响应偶氮苯相变材料的化学结构和充放热过程中的结构变化示意图。（b-e）低温光响应偶氮苯相变分子异构化过程中的结晶性能（f-k）光响应偶氮苯相变分子在不同温度环境下异构化回复性能
2、热储存和释放性能
通过差示扫描量热法（DSC）表征光响应偶氮苯相变材料的相变（结晶和熔融）以及异构化能力（图2）。
图2 光响应偶氮苯相变材料（a-g-Azo PCMs）的热储存和释放性能。（a-c）DSC测得的在-90 ℃到160 ℃温度区间内分子顺式和反式的放热曲线；（d）释放的总能量密度（包括ΔHc-E、ΔHc-Z和ΔHiso）与不同烷氧链长度n之间的关系；（e-f）分子光触发热释放的温度范围
结果显示，所有的光响应偶氮苯相变材料均表现出较强的相变能力。其中Azo-OC12分子的能量密度最高，可达380.76 J g-1，为目前国际报道的最高值，最低使用温度也可达到-40 ℃以下，有望作为极端低温环境下使用的重要的光热转换分子。研究表明，通过优化烷烃取代基的长度可以调控分子间的相互作用，改变其空间构型、分子能级和结晶能力，从而有望实现在低温-高温不同温度环境下异构化能和相变焓的可控释放，达到控制温度的目标。
3、不同温度下的热能传输
通过建立几何模型和控制方程研究不同温度下的热能传输能力（图3）。
图3（a）新型的三支分布式能量回收气体微流控系统（LMCD）的结构图和循环传输过程的示意图；（b）理论计算（体积分数、温度、压力和X方向速度的图像）；（c）理论计算中不同温度下液体流动的平均速度，（d）实际运动过程中液体的速度与行程的曲线
通过建立几何模型和控制方程结果（图3 b和c），得到随着a-g-Azo PCM液体两侧温度梯度增加，液体初始传输速率的增加。随后，将制备的a-g-Azo PCM注入三支分布式能量回收气体微流控系统中进行实验验证（图3d）。结果表明液体两侧的温差越大，液体流动的平均速度越高，传输距离越长。实际运动过程符合理论计算模拟的规律。这对与模拟未来在不同变化环境中运输能源材料的推动力和运输速度具有重要意义。
4、可视化热释放能力
利用红外热像仪直观观察不同温度环境（低温，室温，高温）下所有a-g-Azo PCM的放热能力，尤其是在极低温条件下（图4）。
图4 低温光响应偶氮苯相变材料（a-g-Azo PCMs）低温下的可视热释放性能。（a-c）模式I：在超低温（-40 ℃）下；（d-e）模式II：在室温（27 ℃）下；（f-g）模式III：在高温（90 ℃）下
光响应偶氮苯相变材料在-40 ℃下，温度升高最高达到6.6 ℃，实现了相变和异构化的高密度热输出，表现出了低温下出色的放热性能和光热可控异构化性能。同样，光响应偶氮苯相变材料在室温下和高温下也依然表现出相对较好的热储存和释放能力。
图5 文章封面
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smm2.1300
天津大学封伟团队长期致力于光热储能材料的研究，近年来该团队在国家自然科学基金杰出青年基金项目、重点项目以及科技部重点研发等项目的支持下在偶氮苯-碳模板化材料（Nanoscale, 2012, 4, 6118；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16453；Nanoscale, 2015, 7, 16214；Journal of Materials Chemistry A. 2015, 3, 11787；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8020-8028；ACS Appl. Mater. Inter., 2017, 9, 4066；Chemsuschem, 2017, 10, 1395；Chemical Society Reviews. 2018, 47, 7339；Energy Storage Materials, 2019. 24: 662；J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 97；Energy Storage Materials, 2020, 24, 662）、偶氮苯有机分子和聚合物（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 18668；Macromolecules, 2019, 52, 4222；Composites Science and Technology, 2019, 169: 158；Chinese Journal of Polymer Science. 2019 , 37(12): 1183）、偶氮苯-相变材料（Adv. Funct. Mater., 2020, 2008496；Composites Communications, 2020, 21, 100402；Composites Communications, 2021, 23, 100575）等材料的研究和设计上取得了一系列的原创性成果。
封伟，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。主要研究方向为功能有机碳复合材料及储能和智能材料等设计及应用技术研究。主持国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金项目、国家科技部重点研发、国家预研重点基金以及国家创新重点项目等50余项。入选国家级科技创新领军人才，科技部中青年创新领军人才，天津市杰出人才，教育部新世纪优秀人才等人才计划等。英国皇家化学会会士（FRSC），日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴。研究成果在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Prog. Mater. Sci.、ACS Nano、Matter等期刊上发表文章280余篇，出版英文专著2部，出版“十四五”国家重点出版物规划项目1部，授权中国、美国、日本等国发明专利90余项。以第一完成人获得教育部、天津市和中国复合材料学会科学技术一等奖共5项。
