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日前，四川大學(xué)傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種基于“定構(gòu)”的策略實現(xiàn)了聚光相變儲熱技術(shù)的可控?zé)峁芾?，通過誘導(dǎo)相變材料（PCMs）內(nèi)部導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的多向取向，賦予了傳統(tǒng)PCMs“快速”、“均勻”、“可控”的傳熱特點，將日常生活中最常見的太陽光源源不斷地轉(zhuǎn)換成熱能和電能。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于材料領(lǐng)域優(yōu)秀期刊ACS Nano上。

圖1聚光相變儲熱技術(shù)的概念和器件示意圖

熱電技術(shù)可以將太陽光的熱能通過熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能，被認為是俘獲/存儲/利用清潔太陽能的一種重要技術(shù)。特別地，將熱電技術(shù)以聚光的形式集成到相變儲能材料上，而不是直接將入射的太陽光設(shè)置在熱電裝置上，具有諸多的優(yōu)點（圖1）：（1）利用PCMs巨大的相變潛熱，可以持續(xù)不斷地為電子器件提供電能，而不會受到天氣變化/光照強度浮動的影響；（2）聚光技術(shù)的受熱面積小，減小了與外界環(huán)境的換熱面積，有利于充分利用太陽能并有效降低熱損失。

然而，這種聚光相變儲熱技術(shù)的挑戰(zhàn)則是：聚光處熱源處的熱量發(fā)生聚集，無法有效地傳導(dǎo)至PCMs整體，被完善地吸收和存儲。這一問題的本質(zhì)是PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)低、傳熱路徑不可控，導(dǎo)致PCMs傳熱路徑短、傳熱速度慢、傳熱不均勻。

圖2聚光相變材料聲子導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的“定構(gòu)”過程。

針對上述問題，在本文中，我們從冰晶生長熱力學(xué)和動力學(xué)出發(fā)，可控誘導(dǎo)氮化硼三維骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（圖2），解決了過去導(dǎo)熱材料面內(nèi)方向和垂直方向?qū)嵯禂?shù)無法同時提升的難題，同時賦予了PCMs材料“定構(gòu)傳熱”的效果：如圖3，聚光處的熱量可通過定構(gòu)的氮化硼聲子網(wǎng)絡(luò)定向、可控地傳遞到整個PCMs，具有快速、均勻、可控的傳熱特點，從而能夠?qū)⑷肷涞奶柟猱a(chǎn)生的熱量充分地被PCMs吸收和轉(zhuǎn)化。

我們在2020年的冬天（2月24日），在我國光照強度比較低的一個城市（四川綿陽）開展了實地的光-熱-電轉(zhuǎn)換實驗，在沒有較強光照的條件下，這種聚光相變儲熱器件就能產(chǎn)生40 W/m2的電能，遠遠超出了同類型的相變儲熱文獻報道的效果。

圖3聚光相變儲熱技術(shù)的可控傳熱效果與光-熱-電轉(zhuǎn)換。

當然，我們也認為這種技術(shù)目前仍不是特別成熟，也存在很多不足。例如：（1）受限于較低的導(dǎo)熱系數(shù)，傳熱路徑無法達到“米”的水平，器件無法被進一步放大；（2）整個器件在設(shè)計的過程中，諸多環(huán)節(jié)造成的熱損失仍然較大；（3）材料的制備無法規(guī)?；?，離實際應(yīng)用還有一段距離。

因此，這個體系的研究工作我們也正在不斷地改進和完善。但我們相信，這種聚光相變儲熱技術(shù)，還是有望為高效利用清潔太陽能、緩解能源/環(huán)境等問題提供一些新的思考和啟發(fā)。

四川大學(xué)傅強教授課題組近年來一直致力于“高分子定構(gòu)加工”的研究工作，吳凱副研究員長期圍繞高導(dǎo)熱材料的定構(gòu)方法學(xué)（Compos.Sci.Technol.2016 130 28;Compos.Sci.Technol.2016 134 191;ACS Appl.Mater.Interfaces2017 9 7637;Compos.Sci.Technol.2017 151 193;ACS Appl.Mater.Interfaces2017 9 30035;J.Mater.Chem.A2018 6 11863;J.Mater.Chem.A2019 7 7664;）、熱能的存儲/轉(zhuǎn)換/利用（Adv.Mater.2020 32 1906939;ACS Nano2020 DOI:10.1021/acsnano.0c06680;ACS Appl.Mater.Interfaces2019 11 40685;Chem.Eng.J.2020 394 124929;Green Chem.2020 22 4121;）、以及可控?zé)醾鲗?dǎo)和先進熱管理開展了一些研究，希望以“定構(gòu)加工”的思路為解決高分子材料的熱管理問題提供更多的可能。

相關(guān)成果以“A Multidirectionally Thermoconductive Phase Change Material Enables High and Durable Electricity via Real-Environment SolarThermalElectric Conversion”發(fā)表在ACS Nano（ACS Nano,2020,DOI:10.1021/acsnano.0c06680）上。四川大學(xué)高分子學(xué)院的科研助理（碩士畢業(yè)生）劉丁堯和雷楚昕為本論文的共同第一作者，通訊作者為四川大學(xué)高分子學(xué)院的傅強教授和吳凱副研究員。感謝國家自然科學(xué)基金面上基金（No.51573102和No.51421061）、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（No.51721091）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金對本工作的支持！