偶氮苯分子在特定波长光照下会从反式构型转变为顺式构型,将光能存储在化学键中,在外界刺激下又会回复为反式结构,并以热能的形式释放能量,从而完成一个光储热循环。光致异构化转变的可调控性和良好的循环稳定性使偶氮苯类分子在高能长效太阳能存储领域具有极大的应用潜力。但是传统偶氮苯存在理论储能容量低且半衰期短等缺点,极大地限制了其在光储热领域的应用。针对该问题,本文在分子设计的基础上,采用重氮盐偶合法合成了五种不同取代基(羧基、甲氧基和磺酸基)的偶氮苯分子,并通过共价键作用将其接枝到还原氧化石墨烯(RGO)表面。通过控制其接枝密度和空间构型,使得偶氮苯在石墨烯表面形成多个分子内/间作用力(特别是氢键),获得了高能量密度、高稳定性的偶氮苯-石墨烯杂化材料(AZO-RGO),并通过密度泛函理论(DFT)模拟计算杂化材料的能量密度,为其在太阳能存储领域的应用提供一定的理论和实验依据。采用改进的Hummers法制备了具有良好分散性,微观呈褶皱形貌的单层氧化石墨烯(GO);通过硼氢化钠还原GO,控制其还原程度,使得石墨烯的共轭结构得到一定程度的恢复并具有良好的结晶性的还原氧化石墨烯(RGO)。其表面残留的部分含氧基团使RGO在水中仍然具有良好的分散性。采用多次重氮盐自由基法制备了邻位双甲氧基取代的AZO-1-RGO杂化材料。热失重分析(TGA)和X射线光电子能谱(XPS)结果显示,杂化材料的接枝密度达到平均每19个碳原子键合一个AZO-1(1:19)。高接枝密度导致石墨烯表面的AZO-1分子间距减小以及RGO的层间堆叠作用,有利于增强分子间相互作用和空间位阻,从而提高了杂化材料的能量密度和半衰期。结果表明,AZO-1-RGO的顺反回复动力学常数比AZO-1分子降低了4个数量级。差示扫描量热仪(DSC)结果表明AZO-1-RGO的能量密度为68.14 Wh/kg,比AZO-1(42.04Wh/kg)提高了62.08%。在此基础上,分别制备了对位羧基取代的AZO-2-RGO和间位双羧基取代的AZO-3-RGO杂化材料,结果表明两种杂化材料的接枝密度达到1:16~17。高接枝密度缩短了分子间距并增加了空间位阻,使得AZO-2和AZO-3分子在反式和顺式构型下形成不同数量的分子间氢键,从而显著提高了单分子的反顺能级差,进而提高了杂化材料的能量密度和热稳定性,获得了高能长效热能存储的AZO-RGO复合体。结果表明,AZO-2-RGO和AZO-3-RGO的能量密度分别为112.8 Wh/kg和138.08Wh/kg,比AZO-2(40.52 Wh/kg)和AZO-3(41.14 Wh/kg)分别高178.38%和235.63%;AZO-2-RGO和AZO-3-RGO的热回复半衰期分别为33和52天,比AZO-2(10h)和AZO-3(0.5h)分别高2个和4个数量级。同时,两种杂化材料都保持了优异的循环稳定性,在50次循环下几无衰减。通过密度泛函理论分别对五种不同结构的AZO-RGO进行模拟和计算。结果表明,顺反结构的AZO-2-RGO和AZO-3-RGO之间存在氢键的变化,能有效地提高其能量密度和回复半衰期。根据实验接枝密度,计算出的AZO-2-RGO和AZO-3-RGO的理论能量密度分别为120 Wh/kg和159.4 Wh/kg,与实验值在同一个数量级。结果表明,具有多氢键调控的AZO-RGO杂化材料具有高能量密度和长半衰期,有望作为理想的太阳能储热材料。