21世紀，開發(fā)太陽能利用技術被視為應對氣候變化的關鍵途徑之一。然而，如何高效存儲和釋放太陽能是這一領域亟待解決的核心問題。與傳統(tǒng)太陽熱集熱器相比，分子太陽熱系統(tǒng)（MOST）以光驅(qū)動異構化反應，將光子能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學鍵，并通過熱誘導異構化釋放能量，（圖1A）具備能量生成與釋放時間可控的優(yōu)勢。然而，設計理想的MOST體系面臨兩大挑戰(zhàn)：其一，如何提高光致異構產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性以確保長期儲存的安全性；其二，如何實現(xiàn)高效的催化回異構化以便于穩(wěn)定地釋放能量。當前常見的化合物對（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)定性和太陽光譜吸收能力尚待提升。此外，復雜的光化學與熱化學過程之間的相互作用也增加了開發(fā)高效MOST體系的難度。
圖片來源：JACS
本研究提出了一種全新的分子太陽熱儲存體系，基于鄰位甲基三氟乙酮通過光環(huán)化生成苯并環(huán)丁醇的可逆異構反應。（圖1C）在光環(huán)化過程中，通過引入三氟甲基修飾，不僅有效抑制副反應，還提高了產(chǎn)物的穩(wěn)定性。此外，通過簡單的有機堿催化，該體系實現(xiàn)了苯并環(huán)丁醇的電環(huán)開環(huán)回異構，顯著加速了熱能釋放過程。研究者通過密度泛函理論（DFT）計算和實驗驗證，系統(tǒng)優(yōu)化了反應條件，包括光照波長、溫度以及溶劑選擇等。通過對光環(huán)化效率和回異構化能量釋放速率的綜合考察，最終開發(fā)出一種兼具高儲能密度（312 J/g）和良好循環(huán)性能的MOST體系。
圖片來源：JACS
本研究首次提出了以三氟甲基為核心修飾的光環(huán)化與熱回異構耦合體系，為分子太陽熱儲能提供了新方向。該體系不僅實現(xiàn)了>99%的高反應收率和材料回收率，還展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性（室溫下熱半衰期超過5.5億年），為安全儲能和運輸?shù)於嘶A。通過與簡單光化學裝置和可重復利用的固載催化劑結(jié)合，該體系進一步實現(xiàn)了高效能量循環(huán)的技術可行性。相較于現(xiàn)有的四環(huán)烯體系，該方法在普通太陽光條件下表現(xiàn)出更高的適用性和熱能釋放可控性，為未來太陽能儲存與利用設備的小型化與便攜化提供了重要的理論和實踐支撐?？傮w而言，這一研究不僅為MOST技術的發(fā)展開辟了新思路，也為實現(xiàn)清潔、可持續(xù)能源的利用邁出了重要一步。
標題：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
