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近日，上海交大制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的“能源-空氣-水”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA（Innovative Team for Energy,Water&Air）在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域期刊Matter上發(fā)表了題為“Photoswitchable Phase Change Materials for Unconventional Thermal Energy Storage and Upgrade”的論文。論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士后仵斯，通訊作者是李廷賢研究員和王如竹教授。

傳統(tǒng)材料的固液相變溫度近似恒定，適合用于熱能存儲(chǔ)；而氣液相變行為則表現(xiàn)為多相變特性，可通過(guò)改變飽和蒸氣壓力改變相變溫度，實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)為對(duì)熱能品位的調(diào)控，即蒸氣壓縮式熱泵或空調(diào)的熱力學(xué)原理，然而氣液相變由于體積變化大而一般不適合用于熱能存儲(chǔ)。如何打破傳統(tǒng)材料相變特性的熱力學(xué)限制，使其可同時(shí)用于熱能存儲(chǔ)與熱能品位調(diào)控，則是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。通過(guò)深入調(diào)研分析，論文提出了利用特定材料的雙固液相變特性和可切換相變行為,解決傳統(tǒng)固液相變儲(chǔ)熱長(zhǎng)期面臨的瓶頸難題。類(lèi)似于氣液相變的多相變特性，特定材料在兩種狀態(tài)下具有不同的固液相變行為，通過(guò)某種能量驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的切換，該驅(qū)動(dòng)能量可以是電能、電磁能、光能等。

圖1三類(lèi)相變特性的溫度-焓值關(guān)系

近幾年，光誘導(dǎo)材料發(fā)生固液相變是化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而如何從熱力學(xué)的角度理解這種新奇的現(xiàn)象尚未得到解決。經(jīng)過(guò)深入分析將該現(xiàn)象歸結(jié)為可切換的雙固液相變特性，驅(qū)動(dòng)能量為光能（通常為紫外光），即光致分子異構(gòu)前后材料的兩種聚集態(tài)展示出不同的固液相變行為。在光化學(xué)與熱物理耦合作用下，該材料特殊的固液相變行為將大大豐富相變儲(chǔ)熱的熱力學(xué)內(nèi)涵。論文從熱力學(xué)基本原理出發(fā)，采用溫焓圖清晰地闡釋了利用光切換相變材料實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲(chǔ)熱與熱能品位升級(jí)、長(zhǎng)周期儲(chǔ)熱等非常規(guī)應(yīng)用，并指出了實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新應(yīng)用的技術(shù)路徑、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。論文進(jìn)一步探討了基于光化學(xué)-光熱協(xié)同轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能分光譜高效利用以制取太陽(yáng)能零碳熱燃料的潛在應(yīng)用和未來(lái)研究方向。

圖2光化學(xué)相變材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及多功能用途

新興的光化學(xué)相變儲(chǔ)能將吸引來(lái)自化學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多學(xué)科的關(guān)注，需要從分子設(shè)計(jì)、材料制備、器件制造、熱力學(xué)循環(huán)構(gòu)建和系統(tǒng)優(yōu)化等方面進(jìn)行多尺度的理論和實(shí)驗(yàn)研究。需要進(jìn)一步解決四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）通過(guò)合理的分子設(shè)計(jì)，包括使用柔性分子鏈、破壞分子對(duì)稱(chēng)性等調(diào)控材料的熱力學(xué)性能；2）通過(guò)分子設(shè)計(jì)和材料制備強(qiáng)化分子異構(gòu)和相變的動(dòng)力學(xué)性能，如采用微膠囊技術(shù)擴(kuò)大比表面積，加速光熱傳輸?shù)龋?）通過(guò)提高量子產(chǎn)率和抑制光熱效應(yīng)提高能量轉(zhuǎn)換效率；4）通過(guò)分子設(shè)計(jì)和器件設(shè)計(jì)調(diào)制吸收光譜，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)。此外，新的熱力循環(huán)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)最終的實(shí)際應(yīng)用也至關(guān)重要。研究工作得到了中國(guó)博士后科學(xué)基金“博新計(jì)劃”項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在Joule、Energy&Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上發(fā)表了20余篇論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.017