21世紀(jì)，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用技術(shù)被視為應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵途徑之一。然而，如何高效存儲(chǔ)和釋放太陽(yáng)能是這一領(lǐng)域亟待解決的核心問(wèn)題。與傳統(tǒng)太陽(yáng)熱集熱器相比，分子太陽(yáng)熱系統(tǒng)（MOST）以光驅(qū)動(dòng)異構(gòu)化反應(yīng)，將光子能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)鍵，并通過(guò)熱誘導(dǎo)異構(gòu)化釋放能量，（圖1A）具備能量生成與釋放時(shí)間可控的優(yōu)勢(shì)。然而，設(shè)計(jì)理想的MOST體系面臨兩大挑戰(zhàn)：其一，如何提高光致異構(gòu)產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性以確保長(zhǎng)期儲(chǔ)存的安全性；其二，如何實(shí)現(xiàn)高效的催化回異構(gòu)化以便于穩(wěn)定地釋放能量。當(dāng)前常見(jiàn)的化合物對(duì)（如降冰片烯和四環(huán)烯）（圖1B）雖然在能量密度方面表現(xiàn)良好，但其熱穩(wěn)定性和太陽(yáng)光譜吸收能力尚待提升。此外，復(fù)雜的光化學(xué)與熱化學(xué)過(guò)程之間的相互作用也增加了開(kāi)發(fā)高效MOST體系的難度。
圖片來(lái)源：JACS
本研究提出了一種全新的分子太陽(yáng)熱儲(chǔ)存體系，基于鄰位甲基三氟乙酮通過(guò)光環(huán)化生成苯并環(huán)丁醇的可逆異構(gòu)反應(yīng)。（圖1C）在光環(huán)化過(guò)程中，通過(guò)引入三氟甲基修飾，不僅有效抑制副反應(yīng)，還提高了產(chǎn)物的穩(wěn)定性。此外，通過(guò)簡(jiǎn)單的有機(jī)堿催化，該體系實(shí)現(xiàn)了苯并環(huán)丁醇的電環(huán)開(kāi)環(huán)回異構(gòu)，顯著加速了熱能釋放過(guò)程。研究者通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)優(yōu)化了反應(yīng)條件，包括光照波長(zhǎng)、溫度以及溶劑選擇等。通過(guò)對(duì)光環(huán)化效率和回異構(gòu)化能量釋放速率的綜合考察，最終開(kāi)發(fā)出一種兼具高儲(chǔ)能密度（312 J/g）和良好循環(huán)性能的MOST體系。
圖片來(lái)源：JACS
本研究首次提出了以三氟甲基為核心修飾的光環(huán)化與熱回異構(gòu)耦合體系，為分子太陽(yáng)熱儲(chǔ)能提供了新方向。該體系不僅實(shí)現(xiàn)了>99%的高反應(yīng)收率和材料回收率，還展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（室溫下熱半衰期超過(guò)5.5億年），為安全儲(chǔ)能和運(yùn)輸?shù)於嘶A(chǔ)。通過(guò)與簡(jiǎn)單光化學(xué)裝置和可重復(fù)利用的固載催化劑結(jié)合，該體系進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高效能量循環(huán)的技術(shù)可行性。相較于現(xiàn)有的四環(huán)烯體系，該方法在普通太陽(yáng)光條件下表現(xiàn)出更高的適用性和熱能釋放可控性，為未來(lái)太陽(yáng)能儲(chǔ)存與利用設(shè)備的小型化與便攜化提供了重要的理論和實(shí)踐支撐。總體而言，這一研究不僅為MOST技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新思路，也為實(shí)現(xiàn)清潔、可持續(xù)能源的利用邁出了重要一步。
標(biāo)題：Photocyclization of Fluorinated Acetophenones Unlocks an Efficient Way to Solar Energy Storage
作者：Henning Maag , Matthias Schmitz , Alexander Sandvo? , Domenik Mundil , Abhilash Pedada , Felix Glaser , Christoph Kerzig , and Johannes M. Wahl*
鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12249
