双枝偶氮苯石墨烯杂化材料光热存储的研究

摘要
有机分子的光致异构是实现太阳能闭合储存的理想方法。

偶氮苯（Azo）因其独特的光致异构化现象，即其顺反异构的转化伴随着能量的吸收和释放，有望作为一种高效的光热燃料（PTF）。

偶氮苯分子在太阳能存储方面拥有极大的研究价值，然而其存在半衰期短、储能容量小等缺陷，阻碍了它在光热存储方面的实际应用。

本文以密度泛函理论（DFT）模拟计算为依据，设计并成功合成了两种双枝偶氮苯分子衍生物（bisAzo）。

研究表明，双枝偶氮苯分子由于其自身的特殊结构能够提高分子内相互作用力和空间位阻并变相地提高接枝密度；采用还原氧化石墨烯作为模板，通过偶氮苯分子的紧密排列和与石墨烯模板的协同作用，有望获得高接枝密度，长半衰期，高能量密度的太阳能储热杂化材料（rGO-bisAzo）。

采用改进的Hummers法制备既具有良好溶剂分散性又兼备良好共轭结构的还原氧化石墨烯，有利于后续反应的进行。

采用重氮耦合法制备偶氮苯单元，利用酰胺键将两个偶氮单元键连起来，并通过重氮自由基反应将双枝偶氮苯分子衍生物通过共价键的方式接枝在还原氧化石墨烯片层表面。

热失重分析和X射线电子能谱表征结果表明平均45个碳原子上既有一个双枝偶氮苯分子通过共价键连接在上面。

高的接枝密度能够保证足够的空间位阻，并可以在分子间形成氢键，进一步提高半衰期和能量密度。

紫外-可见光吸收光谱显示rGO-bisAzo储热杂化材料具有长达37天的半衰期和超过50次的循环稳定性；差式扫描量热分析结果表明rGO-bisAzo储热杂化材料具有高达131 Wh/kg 的能量密度和2517 W/kg的功率密度；红外热成像仪显示经过照射储能的储能薄膜与未经照射的薄膜之间的温度差高达近15 ºC。

关键词：光热燃料高能量密度固态热释放温度差
ABSTRACT
Photo-induced isomerization of organic molecules has been proposed as an excellent way to realize the utilization of solar energy. Azobenzene (Azo) is regarded as one of important candidates for photothermal fuels (PTFs) due to its unique ability to underGO trans–cis photo-isomerization reversibly accompanied by light absorption and heat emission. Azobenzene molecules have great research value in solar energy storage. However, the short half-life and small energy storage capacity limits its practical application in solar thermal storage.
Based on the density functional theory (DFT) calculations, two bisazo derivatives (bisAzo) have been designed and synthesized successfully. The results show that bisAzo molecule can enhance the intramolecular interaction and steric hindrance due to its special structure, and improve the grafting density in a disguised form. Using reduced graphene oxide as a template, rGO-bisAzo assembly with high graft density, long half-life, and high energy density is expected to be obtained by the synergetic effect of bisAzo and the graphene template.
The modified Hummers method is used to prepare the reduced graphene oxide with both excellent solvent dispersibility and conjugated structure, which is beneficial to the subsequent reaction. Azobenzene units were prepared by diazonium coupling method, and two azo units were bonded by amide bond. The bisAzo molecules were covalently grafted on the surface of reduced graphene oxide layers by diazonium radical reaction.
The results of thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) showed that bisAzo molecules were covalently bonded with approximately 45 carbon atoms on rGO. The high graft density ensures sufficient steric hindrance, and hydrogen bonds can be formed between the molecules which will further increase the half-life and energy density. The UV-vis absorption spectra exhibited that the rGO-bisAzo thermal storage assembly had a half-life of 37 days and a cycle stability of more than 50 times. rGO-bisAzo hybrid materials showed that the energy density and power density had reached up to 131 Wh/kg and 2517 W/kg respectively according to the results of differential scanning calorimetry (DSC); the infrared thermal imager showed that the temperature difference between the UV irradiated part and unirradiated part of the PTF film was as high as 15 ° C.
Keywords: photothermal fuels, high energy, solid state, heat release, temperature difference
目录
第一章绪论 (1)
1.1 闭合太阳能存储 (1)
1.1.1 太阳能 (2)
1.1.2 太阳能的储存 (3)
1.1.3 开放式太阳能储存 (3)
1.1.4太阳能热电池 (4)
1.1.5太阳能热电池的发展 (5)
1.2 偶氮苯及其衍生物 (6)
1.2.1偶氮苯 (6)
1.2.2偶氮苯的光化学性质 (8)
1.2.3偶氮苯的合成方法 (9)
1.3 石墨烯 (11)
1.3.1石墨烯的性质 (12)
1.3.2石墨烯的制备 (12)
1.3.3石墨烯的应用 (14)
1.4 本课题的目的与研究内容 (18)
1.4.1 论文选题的目的 (18)
1.4.2 课题的主要研究内容 (19)
第二章双枝偶氮苯衍生物的合成及表征 (21)
2.1 引言 (21)
2.2 实验药品与仪器 (22)
2.2.1 实验原料与试剂 (22)
2.2.2 实验仪器 (23)
2.3 实验部分 (23)
2.3.1 4-((4-(4-(-(4-氨基苯)二氮烯基)苯甲酰胺基)苯基)二氮烯基)苯磺酸
(bisAzo-1)的合成 (23)
2.3.2 4,4'-( (((5-氨基间苯二酰)双(羟乙基))双(4,1-亚苯基))双(二氮烯-2,1-取
代))二苯磺酸(bisAzo-2)的合成 (24)
2.4 结果与讨论 (26)
2.4.1 bisAzo合成机理 (26)
2.4.2 核磁共振分析 (27)
2.4.3 HRMS分析 (29)
2.4.4 FT-IR分析 (29)
2.4.5 紫外-可见光吸收光谱分析 (30)
2.4.6 光致异构化性质分析 (31)
2.4.7 循环性与热稳定性 (33)
2.5 本章小结 (33)
第三章双枝偶氮苯-石墨烯杂化材料的研究 (35)
3.1 引言 (35)
3.2 实验药品与仪器 (36)
3.2.1 实验试剂与原料 (36)
3.2.3 实验仪器 (37)
3.3 实验部分 (37)
3.3.1 制备还原氧化石墨烯(rGO) (37)
3.3.2 rGO-bisAzo-1的制备 (38)
3.3.3 rGO-bisAzo-2的制备 (39)
3.3.4 rGO-bisAzo-1与rGO-bisAzo-2储热薄膜的制备 (39)
3.3.5 测试与表征 (39)
3.4 测试与表征 (41)
3.4.1 rGO-bisAzo 化学结构分析 (41)
3.4.2 rGO-bisAzo接枝率分析 (45)
3.4.3 rGO-bisAzo微观形貌 (46)
3.4.4 rGO-bisAzo异构化研究 (51)
3.4.5 rGO-bisAzo的储能研究 (55)
3.4.5 rGO-bisAzo储热薄膜的光热效应研究 (58)
3.5 rGO–bisAzo储能理论计算 (60)
3.5.1 理论支撑和计算软件 (60)
3.6 本章小结 (60)
第四章全文总结 (63)
参考文献 (64)
发表论文和参加科研情况说明 (75)
致谢 (76)
第一章绪论
1.1 闭合太阳能存储
全球日益增长的能源需求迫使我们寻找新的能源来源来应对化石燃料消耗殆尽的未来。

地球上储量最大和分布最广泛的能源是太阳光，但由于其间歇性，因此需要有效的能量储存策略，才能将其变成为现代社会提供动力的主要能源。

尽管在设计捕获和利用太阳能的实际策略（例如光伏发电，光催化以产生化学燃料和太阳能加热）方面已经取得了显着进展，但是在能量存储方面的进展仍然有限。

近些年，许多科学家提出了太阳能的闭合存储，理论上，这一系统具有至少与氧化还原电池相当的能量和功率密度，并且在满足分布式或移动应用中的间歇性能量需求方面具有可观的应用价值[1]。

图1-1太阳能的实际大规模应用
Figure 1-1 Solar energy effectors for utility-scale solar energy technologies
1.1.1 太阳能
最新的预测表明，全球年能源需求将从2007年的平均每年520 EJ增长到2035年的780 EJ。

此外，到2035年，可再生能源和非二氧化碳排放能源（例如风能，水能和核能）的比例应至少占到能源组成的38％。

阳光是迄今为止在地球上可用的最丰富的碳中性能源，每小时提供430 EJ能源（约120 PW），超过2001年的年全球能源消耗（410 EJ，平均13 TW）。

不包括运输在内的家庭消耗的能源占2007年全球能源需求的14％，预计到2035年将每年增长1.1％[2]。

太阳光是迄今为止在地球上最丰富的碳中性能源，每小时可提供430 EJ的能量（〜120 PW），超过2001年的全球全年能源消耗总和（410 EJ，平均13 TW）[3]。

虽然人类一直依靠通过自然光合作用储存的太阳能作为生物和化石燃料来满足能量需求，但光合作用本身不足以满足社会发展的需要[4]。

自工业革命以来，大气中的二氧化碳明显增加表明我们消耗生物圈光合作用以C-H和C-C键储存的太阳能比生物的可持续循环速度要快得多。

将太阳光转换成适合于存储，分布和终端使用的能量的手段包括光伏（转化为静电梯度）[5]，光热（转化为适于驱动热机的热梯度或高温化学反应）[6-10]和光催化（转化为电化学梯度，例如，从CO2和H2O合成CH4或CH3OH，从H2O 得到H2或由Li2O2、Li2CO3合成Li）。

在以上三种方法中，光催化或光热作用产生的高能化学品（化学燃料）理论上可以提供便于存储的具有最高能量密度和最长寿命的太阳能，这对于移动应用（例如，运输）和点分布式配电网来说是极为适用的。

太阳能热电池与其环境交换能量，在充电期间吸收光子并且在放电期间仅释放出热量。

与之相反，传统化石燃料必须燃烧才能释放出能量，同时消耗了氧气并释放出温室气体二氧化碳和水蒸汽。

开发太阳能热电池的主要目的是打破被认为是常规氧化还原电池极限的能量和功率密度，同时改善充电/放电循环的次数，提高能量转换效率，充电状态的储存时效和可回收性。

封闭系统太阳能-热储存的想法并非近几年提出的，并且已经有大量的努力被用来开发基于降冰片二烯/四环烷异构体对的实际系统。

然而现有的太阳热能电池由于分子设计的不成熟导致实际系统的应用受到极大限制。

这个挑战与优化现有的氧化还原电池系统是不一样的，因为现有系统的优化大多是物理和工程方面的改进而非化学层面上的提升，然而如今的挑战是从化学的角度通过分子设计和分子间相互作用的控制来提升系统的实际效果。

1.1.2 太阳能的储存
间歇式能量源的利用，例如太阳能、风能等需要一个健全并且有效的能量存储系统作为媒介[11-13]。

这是由于，虽然太阳光能量巨大，但是其间歇性与各地能量的需求存才这不一致的现象。

因此，我们需要闭合系统与开放系统相结合。

开放系统太阳能储存通常包括（1）由H2O和CO2光催化合成烃及其氧化衍生物，（2）水通过光化学，光电化学[14, 15]或光热分解生成H2，（3）碱金属或碱土金属通过太阳光的降解，用于可再循环的金属-空气电池系统。

这种燃料的能量密度超过其他存储技术能量密度至少一个数量级，使得它们特别适合于运输、分散式分布和间歇供求。

大多太阳能燃料是开放式的，因为其在燃烧过程中永久性的向环境中释放了碳的氧化物。

在闭合系统中，只有能量在环境和能量存储系统中进行交换。

闭合太阳能存储的实例有压缩空气、可充电电池以及超级电容器。

无论是机械方法还是电化学方法，大多数现有的闭合系统能量存储技术的主要缺点是它们有限的质量能量密度和体积能量密度（0.001–0.5 MJ/kg）。

具有最高比能量密度的技术，例如过热蒸汽（高达3 MJ/kg），锂离子电池（高达1 MJ/kg）或可逆燃料电池，特别是高温固体氧化物电池要么缺乏便携性，要么对于许多应用来说太昂贵或者寿命短。

基于这些材料的物理性质自身所限，大多数此类技术的能量密度可能不进一步增加。

虽然电化学电池的设计已经引起了相当大的关注，但是一个更好的替代方案，基于稳定发色团的可逆光异构化无需改变化学组成的太阳能热电池的研究却相对较少。

在太阳能热电池中，当亚稳态异构体响应于外部触发而回复到其稳定的异构态时，存储的能量以热量的形式释放。

这种太阳能热电池的化学开发对化学家通过分子设计控制化学反应性的能力提出了独特的挑战。

1.1.3 开放式太阳能储存
常规化学燃料，例如汽油和甲烷，在不存在O2或另一种氧化剂的情况下是稳定的，并且仅在氧化（燃烧）时释放能量，同时化学组成发生变化。

目前的技术和设备已足以工业化来实现各种开放系统化学燃料之间互相转化，并且使其燃烧效率最大化，例如在驱动车辆或燃气轮机中。

液态烃及其氧化衍生物（例如甲醇）具有作为燃料的独特优点[16]。

它们具有较高的质量和体积能量密度（例如，基于标准燃烧焓：对于CH3OH为22.7 MJ/kg或17.9 MJ/L，对于n-C8H18为47.9 MJ /kg或33.7 MJ/L）和有用功功率密度（50-500 W/kg）。

因此，它们仅需要简单的安全处理和储存预防措施，就可以廉价地进行运输和使用。

它们相对无毒（对
于85 kg的人来说，甲醇和汽油的LD50值分别相应地为〜0.7 L和〜1.6 L，仅相当于1.4g的士的宁或2 mg的蓖麻毒素）。

使用这种燃料储存太阳能的主要挑战是开发有效的光催化剂用来将CO2和H2O转化为烃及其衍生物[17]。

碳基太阳能燃料的主要缺点是燃烧时释放CO2。

CO2到燃料的实际非生物转化可能需要CO2的浓度远高于环境空气中的浓度。

因此，车辆或在其它分布式使用终端处太阳能燃料燃烧释放的CO2实际上不能再捕获。

如果太阳能燃料在大量固定的能量消耗者（例如，发电厂）下燃烧，则这种捕获和封存更容易实现，但是仍然不能保证在这种情况下使用太阳能燃料相比于直接通过光电或光热转化利用太阳能的利用方式更为有效[18]。

H2的燃烧仅产生H2O，使H2潜在地成为存储太阳能的碳中性方法[19-24]。

再加之较高的比能量（142MJ/kg），使用氢作为能量载体已经引起了极大的关注。

然而，在正常情况下，其密度仅有0.013 mg/L，远小于汽油的0.01%，因此它的储存是一个巨大的挑战。

总之，液体开放系统太阳能燃料能量密度高而便于分布和使用，但是如何有效地合成它们以及它们是否可以是碳中性形式的能量存储仍然是科学家所面临的挑战。

H2的燃烧不释放CO2，并且H2可以通过光化学，光电化学或光热使水分解产生。

然而，在通常情况下H2的极低的体积能量密度严重阻碍了其实际应用并削弱了与其他形式能源竞争的优势（例如用于移动应用的高级电池或用于固定的太阳能电池的直接光伏）[25, 26]。

1.1.4太阳能热电池
如前所述，开放系统燃料的确有着许多优点，使得我们使用这些化学品已经有几个世纪之久。

在太阳能热电池中，能量释放的化学反应导致化学键的重排，而分子的化学组成没有变化（即能量的储存和释放循环只涉及异构化转变）。

稳定的异构体吸收有用波长的光子到达亚稳态，亚稳态受激发或者自发的转化到稳态并释放能量。

这种燃料的能量密度的影响因素与其他开放式系统是不一样的。

因此，尽管闭合系统化学燃料有着自身的应用前景，但是其设计和机理的探讨仍然需要进一步深入研究[27-31]。

封闭系统太阳能储存系统优于开放系统的优点是：
（1）不会产生对环境有害的氧化物。

（2）在使用时可以简单地回收利用燃料（例如，适当设计的封闭系统太阳能燃料可以简单地通过将稳定的异构体暴露于太阳光而再生）。

（3）原料相对价格低廉，这增加了分子结构设计以寻找最适用太阳能燃料的灵活性。

这些优点使得太阳能热电池在移动应用中有着潜在的应用价值，也可用于缺乏大型传统能量网格的领域，包括发展中国家和发达国家的偏远地区，或者暂时中断对能源网络供应的区域，例如，自然灾害，战争，恐怖袭击或工业事故发生的地区。

较小的封闭系统太阳能燃料提供了一种用于长时间存储高热量，并不会由于热梯度而导致明显热耗散的碳中性手段。

封闭系统能量存储系统在质量和体积能量密度方面永远不能匹配常规燃料，因为常规燃料的能量释放所伴随的化学反应从环境中吸取O2，其质量和体积通常不包括在能量密度的计算内。

对于特定的应用场合，封闭系统能量存储系统的独特优势可以平衡它们自身较低的能量密度，并且开放系统和闭合系统的能量密度之间的差距也在逐渐缩小。

氧化还原电池的比容量的极限理论上：最高能量密度的阴极（还原剂）是金属Li（14 MJ/kg）；目前最高的能量密度阳极（氧化剂）可能是Si（高达10 MJ/ kg）[32]。

经计算，金属Li和Si以4:1摩尔比的假想混合物在完全转化为Li4Si时可释放约13MJ/kg的能量。

为了使这种混合物产生电动势（抵抗相对静电势的电流），阴极和阳极需要由电解质分离。

现有的氧化还原电池具有低于1 MJ/kg的能量密度，进一步提高的可能性已经不大了。

目前已知的最高能量密度的分子可能是硝基立方，其计算的标准自由能为717 kJ/mol[33]。

商业单体推进剂1,3,5,7-四唑啉HMX的标准能量密度为9.4 MJ/kg，对于RDX（环三亚甲基四甲基硝胺）为9.5 MJ/kg，对于C(NO2)4 + 3N2H4混合物（全用于分解为CO，CO2，H2O和N2）为7.3 MJ/kg[34]。

甚至对于消耗O2的常规燃料例如正辛烷的能量密度也小于11 MJ/kg，基于硼烷的高能航空燃料也小于16 MJ/kg。

重要的是，由于气体（CO2，CO，N2，水蒸汽）的产生，其熵值至少占这些反应总的标准自由能的35％。

伴随大熵变（摩尔体积的大变化）的反应不能够适用在充放电循环中要求体积保持恒定的电池系统。

因此，化学键自身的性质将有机材料的比焓密度限制到10 MJ/kg。

此外基于单光子光异构化的太阳能电池的能量密度还受到抵达地球表面的最短波长太阳辐射（1.5 MJ/kg）。

最终，即使对于多光子异构化反应，其能量密度也将限制在1 MJ/kg。

在地球表面，低于340 nm的光强度可能过低而无法捕获[35]。

1.1.5太阳能热电池的发展
1909年提出蒽的光二聚作用原理，此时通过可逆光致异构化存储太阳能的概念成为了现实。

自20世纪70年代初以来，基于C=C和C-C键之间的协同（电循环）转化和N=N和C=C双键的顺反异构转换，太阳能的封闭系统化学储存得以发展[36, 37]。

最近，某些有机金属光致变色化合物引起了研究者的注意。

无机
光反应在20世纪60年代被提出，但之后并没有进一步的研究和发展。

到目前为止，研究的重点集中在能量转化率的最大化。

然而，能量密度相较于能量转化率在化学太阳能热能存储系统中更为重要。

近些年的研究主要集中在：（1）电环化反应[38, 39]
（2）双键的光致异构化反应[40]
（3）有机金属的光致变色反应[41]
目前研究所关注的热点有：
（1）能量密度[42]
（2）功率密度
（3）安全性[43]
（4）稳定性和循环寿命[44]
（5）光致异构化效率
（6）热回复速率
1.2 偶氮苯及其衍生物
1.2.1偶氮苯
偶氮苯是一种两个氢都被苯基取代的二氮烯（HN = NH）衍生物，可以以顺式或反式构象存在[45]。

Rau将偶氮苯分成三种类型：偶氮苯型分子，氨基偶氮苯型分子和假茋型分子。

它们在吸收光谱的不同决定了它们不同的颜色：黄色，橙色和红色。

许多取代的偶氮苯显示出与未取代的偶氮苯相似的吸收特性。

在特定波长的紫外-可见光激发，机械应力或静电激发时会发生反式结构向顺式结构的转变。

由于反式异构体的热力学稳定性，亚稳态的顺式结构在黑暗中自发地回复到反式结构。

这些分子在可见光区域显示出低强度的n-π*跃迁吸收带，并且在紫外区内显示出较强的π-π*跃迁吸收带。

虽然对于顺式偶氮苯来说，n-π*是对称禁阻的，但是振动耦合及一定程度的非平面性特征使得它仍然是可观测的[46]。

偶氮苯表现出较好的光稳定性，即使在长时间照射后也不发生分解。

未取代的偶氮苯光异构化速率快于热异构化，因此两个过程在时间上是分开的。

偶氮苯光致变色性质已经用在各种聚合物[47-49]，表面改性材料[50-52]，蛋白质探针[53, 54]，分子机器人，“全息记录装置”[55-57]和金属离子螯合剂中的光触发开关上[58-60]。

异构化后几何形状的变化使分子可以定向地起到一些作用，如调节改变块体材料结构的相互作用[61-64]，改变光谱性质[65-67]，移动取代基以解除分子间的相互作用[68]等。

偶氮苯还作为发色团存在于各种pH[69, 70]、金属离子指示剂[71]以及工业染料和非线性光学装置中[72]。

由于顺式偶氮苯在近80年前才被分离，其异构化机制已成为人们关注和争议的焦点。

异构体形式（顺式与反式）[73, 74]，激发模式（热与辐射）[75]，照射波长，溶剂性质[76-78]，对苯环取代[46]，温度[79, 80]和压力都影响着异构化机理和量子产率。

控制光异构化的量子产率和热异构化速率的能力比在实际应用中了解异构化机理更为重要，但是两种性质都取决于异构化发生的途径。

设计执行特定任务的偶氮苯系统需要详细的机械信息；然而，单一机理不能令人满意地解释异构化过程的所有方面，甚至对于未取代的偶氮苯来说也是一样。

图1-2 偶氮苯异构化机理
Figure 1-2 Isomerization mechanism of Azobenzene
超快时间分辨光谱技术的进展已允许探测短寿命偶氮苯分子的激发态。

这些实验的结果以及从头计算原理和半经验计算的结果揭示了异构化过程中的复杂性，极大的挑战了对早期实验结果的解释和关于异构化机理的解释。

现已经提出了几种新的理论来解释异构化量子产率对照射波长的依赖性。

在凝聚相中，偶氮苯分子也对压缩和聚集非常敏感。

π-π堆叠引起吸收光谱的偏移。

如果偶氮偶极子具有平行（头对头）排列，则它们被称为J-聚集体，并且与分离的发色团相比，会引起光谱的红移。

如果偶极子是反平行（头对尾）排列的，则它们被称为H-聚集体，并导致蓝移。

在一些氨基偶氮苯和许多假茋型偶氮苯中能看到荧光，但在偶氮苯中没有荧光。

通过改变电子密度，取代模式必然影响偶极矩。

这在许多非线性光学（NLO）研究中显得十分重要。

例如，发色团的偶极矩可以用于在电场（极化）中取向[81]。

特别地，由推/拉电子取代产生的离域电子的强烈不对称分布会是优异的NLO发色团。

1.2.2偶氮苯的光化学性质
偶氮苯的很多性能都是基于其光致异构转变上。

这种光异构化是完全可逆的，没有副反应，Rau称赞其为“已知的最清洁的光反应之一”。

反式异构体更加稳定，能量大约为50 kJ/mol[82]，并且对光激发态的能量势垒（异构化的障碍）约为200 kJ/mol[83]。

因此，在黑暗中，大多数偶氮苯分子将以反式形式存在。

在吸收光子（即在反射吸收带中的波长）时，偶氮苯将以高效率转化为顺式异构体。

另外一个波长（对应于顺式吸收带）可以导致其回复。

这些光致异构化通常仅具有皮秒时间尺度，并且取决于取代情况和局部环境，时间范围从几毫秒到几小时不等[84, 85]。

氨基偶氮苯和假茋型偶氮苯的热异构化的能量势垒为约90 kJ/mol[86, 87]。

大量的工作都在研究如何延长顺式寿命，目标是创造真正的双稳态光可切换系统。

大环取代基可用于阻碍热反应。

例如，聚氨酯主链偶氮表现出4天的寿命（在3℃下的热速率常数k = 2.8×10-6s-1）[88]，并且较大体积侧基对位取代的偶氮苯的寿命为60天（室温下k < 2×10-7 s-1）。

大环偶氮化合物的构象变化也可用于锁定顺式状态，其寿命为20天（k = 5.9> 10 -7 s-1）[89]，1年（半衰期400天，k = 2×10-8 s-1），甚至6年（k = 4.9×10-9 s-1）[90]。

类似地，使用肽段的氢键键合产生环状结构，其寿命约40天（k = 2.9×10-7s-1）。

当然，也存在以顺式结构为稳态的体系，并且其中异构化（在任一方向上）都被完全阻碍。

例如，可以使用附着于表面，环状偶氮分子的直接合成或顺式结构的结晶来保持一种状态，但是这种系统显然不是双稳态光开关。

经过照射，块状偶氮样品或溶液将达到光稳态。

稳态组成对于每个系统是唯一的，因为其取决于两个过程（反式和顺式）的量子产率和热驰豫率常数。

稳态的组成还取决于照射强度，波长，温度和基体（气相，溶液，液晶，溶胶-凝胶，单层，聚合物基体等）。

由于有效吸收光谱（反式和顺式光谱的组合）随光强度而变化，因此偶氮是光致变色的。

因此，吸收光谱可以方便地用于测量稳态中的顺式含量。

也可以使用NMR来表征[91]。

在中等辐射下，对于偶氮苯类和氨基偶氮苯类来说，光稳态混合物主要是顺式结构，对与假芪型来说主要是反式异构体。

在黑暗条件下，顺式异构体所占分数低于大多数检测限，并且样品可以被认为处于全反式状态。

现代实验通常使用具有偏振控制的激光来激发，向样品提供大约
1~100 mW/cm2的功率。

环取代方式严重地影响反式和顺式异构体的吸收光谱，并且对于某些结构来说，两种异构体的吸收光谱重叠严重（特别是对于假茋型）。

在这些情况下，单一波长的光会使得正向和反向反应同时发生，导致一个混合状态，其内各个分子处于连续相互转化。

对于偶氮苯光驱动来说，这种发色团的快速和有效的循环是有利的，而在偶氮发色团用作光开关的情况下，显然是非常不利的。