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日前，四川大學傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種基于“定構”的策略實現了聚光相變儲熱技術的可控熱管理，通過誘導相變材料（PCMs）內部導熱網絡的多向取向，賦予了傳統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換成熱能和電能。相關研究成果在線發表于材料領域優秀期刊ACS Nano上。

圖(tu)1聚(ju)光相變儲熱(re)技術的概念和器(qi)件示意圖(tu)

熱(re)電(dian)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)(yi)(yi)將(jiang)太陽(yang)光的(de)(de)(de)熱(re)能(neng)通過熱(re)電(dian)效應轉化成(cheng)(cheng)電(dian)能(neng)，被認為是俘獲/存儲/利用(yong)清(qing)潔太陽(yang)能(neng)的(de)(de)(de)一種重要技(ji)術(shu)。特別地(di)，將(jiang)熱(re)電(dian)技(ji)術(shu)以(yi)(yi)(yi)聚光的(de)(de)(de)形式集(ji)成(cheng)(cheng)到相變儲能(neng)材料上(shang)，而(er)不(bu)是直接將(jiang)入射(she)的(de)(de)(de)太陽(yang)光設置在熱(re)電(dian)裝置上(shang)，具有(you)諸多的(de)(de)(de)優點(dian)（圖1）：（1）利用(yong)PCMs巨大的(de)(de)(de)相變潛(qian)熱(re)，可(ke)以(yi)(yi)(yi)持續不(bu)斷地(di)為電(dian)子器件提供電(dian)能(neng)，而(er)不(bu)會受到天氣變化/光照強度浮動的(de)(de)(de)影響；（2）聚光技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)受熱(re)面積小(xiao)，減小(xiao)了(le)與外界環境的(de)(de)(de)換熱(re)面積，有(you)利于充分(fen)利用(yong)太陽(yang)能(neng)并有(you)效降低熱(re)損(sun)失。

然而(er)，這種(zhong)聚(ju)光相變(bian)儲熱(re)(re)技術的挑戰則是(shi)：聚(ju)光處熱(re)(re)源(yuan)處的熱(re)(re)量發生聚(ju)集，無法有效地(di)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)導(dao)(dao)至PCMs整體，被完善地(di)吸收和(he)存儲。這一問題的本質是(shi)PCMs的導(dao)(dao)熱(re)(re)系數(shu)低、傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)路徑不可控，導(dao)(dao)致PCMs傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)路徑短、傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)速度(du)慢(man)、傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)不均勻。

圖(tu)2聚(ju)光相變材料聲子導(dao)熱結構(gou)的“定構(gou)”過程。

針(zhen)對上述問題(ti)，在本文中，我(wo)們從冰晶(jing)生長熱(re)力(li)學(xue)和動力(li)學(xue)出發，可(ke)(ke)控(kong)誘導(dao)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼三維骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（圖(tu)2），解決了(le)過去(qu)導(dao)熱(re)材(cai)料面內方向和垂直方向導(dao)熱(re)系數無法同時提升的難題(ti)，同時賦予了(le)PCMs材(cai)料“定(ding)構傳熱(re)”的效果：如圖(tu)3，聚光處的熱(re)量可(ke)(ke)通(tong)過定(ding)構的氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼聲子網絡定(ding)向、可(ke)(ke)控(kong)地傳遞到整個PCMs，具有快速、均勻(yun)、可(ke)(ke)控(kong)的傳熱(re)特(te)點，從而(er)能夠將(jiang)入射(she)的太(tai)陽光產生的熱(re)量充分(fen)地被PCMs吸(xi)收(shou)和轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)。

我們(men)在2020年(nian)的(de)冬天（2月24日），在我國光(guang)照強度(du)比較低的(de)一個城市（四川(chuan)綿陽）開展了實(shi)地(di)的(de)光(guang)-熱-電轉換實(shi)驗，在沒(mei)有較強光(guang)照的(de)條件下，這(zhe)種(zhong)聚光(guang)相變儲(chu)熱器(qi)件就能產生40 W/m2的(de)電能，遠(yuan)(yuan)遠(yuan)(yuan)超出了同類型的(de)相變儲(chu)熱文獻報(bao)道(dao)的(de)效果。

圖3聚光相變儲熱(re)技術(shu)的可控(kong)傳熱(re)效果與光-熱(re)-電轉換。

當然(ran)，我們也認為這種技(ji)術(shu)目(mu)前仍不是(shi)特別成熟(shu)，也存在(zai)很多(duo)不足。例如：（1）受限于較(jiao)低的(de)(de)導(dao)熱(re)系(xi)數，傳熱(re)路徑無(wu)法達(da)到“米”的(de)(de)水平，器件無(wu)法被進一步放大(da)；（2）整個(ge)器件在(zai)設計(ji)的(de)(de)過(guo)程(cheng)中，諸(zhu)多(duo)環節造成的(de)(de)熱(re)損失仍然(ran)較(jiao)大(da)；（3）材料的(de)(de)制備無(wu)法規(gui)模(mo)化，離實際應(ying)用還有一段距離。

因此，這個體系(xi)的研究(jiu)工作我們也正在(zai)不斷地改進和(he)完善。但我們相(xiang)信，這種聚(ju)光相(xiang)變儲熱技術(shu)，還是有望為高效利(li)用清潔太陽(yang)能、緩(huan)解能源/環境等問(wen)題提供(gong)一些新的思(si)考和(he)啟發。

四川大學傅強教(jiao)授課題(ti)組(zu)近(jin)年來一直致力于“高分子(zi)定(ding)構(gou)加(jia)工”的(de)(de)研究工作，吳凱副研究員長期圍繞(rao)高導熱材(cai)料的(de)(de)定(ding)構(gou)方(fang)法學（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(neng)的(de)(de)存(cun)儲/轉換(huan)/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(kong)熱傳導和先進(jin)熱管(guan)理開(kai)展了一些研究，希望(wang)以“定(ding)構(gou)加(jia)工”的(de)(de)思路為解決高分子(zi)材(cai)料的(de)(de)熱管(guan)理問題(ti)提供更多(duo)的(de)(de)可能(neng)。

相關成果以“A Multidirectionally Thermoconductive Phase Change Material Enables High and Durable Electricity via Real-Environment SolarThermalElectric Conversion”發表在ACS Nano（ACS Nano,2020,DOI:10.1021/acsnano.0c06680）上。四川(chuan)大學(xue)高分子(zi)(zi)學(xue)院(yuan)的(de)(de)科(ke)研助理（碩士畢業生）劉丁堯和雷(lei)楚昕(xin)為(wei)本論文的(de)(de)共同第(di)一作者，通訊作者為(wei)四川(chuan)大學(xue)高分子(zi)(zi)學(xue)院(yuan)的(de)(de)傅強教授(shou)和吳凱副(fu)研究員。感謝(xie)國(guo)(guo)家自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)面上基(ji)金(jin)（No.51573102和No.51421061）、國(guo)(guo)家自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)創(chuang)新群(qun)體項(xiang)目（No.51721091）、江蘇省自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)青年基(ji)金(jin)對本工(gong)作的(de)(de)支(zhi)持！