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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銜的“能源-空氣-水”交叉學科創新團隊ITEWA（Innovative Team for Energy,Water&Air）在物質科學領域期刊Matter上發表了題為“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(chuan)統(tong)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)固(gu)液相(xiang)(xiang)變溫度近(jin)似(si)恒定，適(shi)合用于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)存(cun)儲(chu)；而氣(qi)液相(xiang)(xiang)變行為(wei)則(ze)表(biao)(biao)現為(wei)多相(xiang)(xiang)變特(te)性(xing)(xing)(xing)，可(ke)(ke)通(tong)過(guo)改(gai)變飽和蒸氣(qi)壓(ya)力(li)改(gai)變相(xiang)(xiang)變溫度，實際應用中(zhong)表(biao)(biao)現為(wei)對熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)品(pin)位的(de)(de)(de)(de)調控，即蒸氣(qi)壓(ya)縮(suo)式(shi)熱(re)(re)(re)泵或空(kong)調的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)力(li)學原理(li)，然而氣(qi)液相(xiang)(xiang)變由(you)于(yu)(yu)體積變化大而一般不適(shi)合用于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)存(cun)儲(chu)。如何打破(po)傳(chuan)統(tong)材(cai)料(liao)相(xiang)(xiang)變特(te)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)力(li)學限(xian)制(zhi)，使其可(ke)(ke)同(tong)時用于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)存(cun)儲(chu)與(yu)熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)品(pin)位調控，則(ze)是一項極具(ju)挑(tiao)戰性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)課題(ti)。通(tong)過(guo)深(shen)入調研(yan)分析，論文(wen)提出了(le)利用特(te)定材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)固(gu)液相(xiang)(xiang)變特(te)性(xing)(xing)(xing)和可(ke)(ke)切(qie)換相(xiang)(xiang)變行為(wei),解決(jue)傳(chuan)統(tong)固(gu)液相(xiang)(xiang)變儲(chu)熱(re)(re)(re)長(chang)期面(mian)臨的(de)(de)(de)(de)瓶(ping)頸難題(ti)。類似(si)于(yu)(yu)氣(qi)液相(xiang)(xiang)變的(de)(de)(de)(de)多相(xiang)(xiang)變特(te)性(xing)(xing)(xing)，特(te)定材(cai)料(liao)在兩種狀態下具(ju)有(you)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)固(gu)液相(xiang)(xiang)變行為(wei)，通(tong)過(guo)某種能(neng)(neng)量驅(qu)動可(ke)(ke)實現兩種狀態的(de)(de)(de)(de)切(qie)換，該驅(qu)動能(neng)(neng)量可(ke)(ke)以(yi)是電(dian)(dian)能(neng)(neng)、電(dian)(dian)磁能(neng)(neng)、光能(neng)(neng)等。

圖(tu)1三類相變特(te)性的溫(wen)度-焓值關系

近幾年(nian)，光(guang)(guang)誘導(dao)材(cai)(cai)料(liao)發生(sheng)固液相(xiang)變(bian)(bian)是化學領域的(de)(de)(de)研(yan)究熱(re)(re)點，而如何(he)從熱(re)(re)力(li)學的(de)(de)(de)角度理解(jie)這(zhe)種新奇的(de)(de)(de)現象(xiang)尚未得(de)到解(jie)決。經過(guo)深入分析將該現象(xiang)歸結為可切換(huan)的(de)(de)(de)雙固液相(xiang)變(bian)(bian)特(te)性，驅(qu)動能(neng)量(liang)為光(guang)(guang)能(neng)（通常(chang)為紫外光(guang)(guang)），即光(guang)(guang)致分子異構前后材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)兩種聚集態(tai)展(zhan)示出不同(tong)的(de)(de)(de)固液相(xiang)變(bian)(bian)行為。在(zai)光(guang)(guang)化學與(yu)(yu)熱(re)(re)物理耦合作用下，該材(cai)(cai)料(liao)特(te)殊(shu)的(de)(de)(de)固液相(xiang)變(bian)(bian)行為將大大豐富相(xiang)變(bian)(bian)儲熱(re)(re)的(de)(de)(de)熱(re)(re)力(li)學內涵。論文從熱(re)(re)力(li)學基本原理出發，采(cai)用溫(wen)焓圖清晰地闡釋了(le)利(li)用光(guang)(guang)切換(huan)相(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)料(liao)實(shi)現復合儲熱(re)(re)與(yu)(yu)熱(re)(re)能(neng)品(pin)位升級、長周期儲熱(re)(re)等非(fei)常(chang)規(gui)應(ying)(ying)用，并(bing)指出了(le)實(shi)現這(zhe)些創新應(ying)(ying)用的(de)(de)(de)技(ji)術路(lu)徑(jing)、關鍵挑戰和(he)未來發展(zhan)方向(xiang)。論文進(jin)一步探討了(le)基于(yu)光(guang)(guang)化學-光(guang)(guang)熱(re)(re)協同(tong)轉換(huan)的(de)(de)(de)太(tai)陽能(neng)分光(guang)(guang)譜高效(xiao)利(li)用以制取太(tai)陽能(neng)零碳(tan)熱(re)(re)燃(ran)料(liao)的(de)(de)(de)潛在(zai)應(ying)(ying)用和(he)未來研(yan)究方向(xiang)。

圖2光化學相變(bian)材料的(de)未來發展(zhan)趨勢及(ji)多(duo)功能(neng)用途

新興的(de)光化學(xue)(xue)(xue)相變儲能(neng)將吸引(yin)來自化學(xue)(xue)(xue)、材(cai)料科學(xue)(xue)(xue)、能(neng)源科學(xue)(xue)(xue)等多(duo)學(xue)(xue)(xue)科的(de)關注，需要從分(fen)(fen)子設(she)(she)(she)計(ji)、材(cai)料制(zhi)備(bei)、器(qi)件(jian)制(zhi)造、熱(re)(re)(re)(re)力學(xue)(xue)(xue)循(xun)環構(gou)建和(he)(he)(he)系統優化等方面(mian)進(jin)行(xing)多(duo)尺度的(de)理論(lun)和(he)(he)(he)實驗(yan)研(yan)究(jiu)。需要進(jin)一(yi)步解決四個關鍵問題：1）通(tong)過合理的(de)分(fen)(fen)子設(she)(she)(she)計(ji)，包括使用(yong)(yong)柔性分(fen)(fen)子鏈、破壞分(fen)(fen)子對稱(cheng)性等調控材(cai)料的(de)熱(re)(re)(re)(re)力學(xue)(xue)(xue)性能(neng)；2）通(tong)過分(fen)(fen)子設(she)(she)(she)計(ji)和(he)(he)(he)材(cai)料制(zhi)備(bei)強化分(fen)(fen)子異(yi)構(gou)和(he)(he)(he)相變的(de)動力學(xue)(xue)(xue)性能(neng)，如采用(yong)(yong)微膠(jiao)囊技(ji)術擴大比(bi)表面(mian)積(ji)，加速光熱(re)(re)(re)(re)傳輸等；3）通(tong)過提(ti)高量子產(chan)率(lv)和(he)(he)(he)抑(yi)制(zhi)光熱(re)(re)(re)(re)效(xiao)(xiao)應(ying)提(ti)高能(neng)量轉換效(xiao)(xiao)率(lv)；4）通(tong)過分(fen)(fen)子設(she)(she)(she)計(ji)和(he)(he)(he)器(qi)件(jian)設(she)(she)(she)計(ji)調制(zhi)吸收(shou)光譜，實現太陽能(neng)的(de)高效(xiao)(xiao)轉化和(he)(he)(he)存儲。此外，新的(de)熱(re)(re)(re)(re)力循(xun)環和(he)(he)(he)系統結構(gou)設(she)(she)(she)計(ji)對最(zui)終(zhong)的(de)實際應(ying)用(yong)(yong)也至關重(zhong)要。研(yan)究(jiu)工作得到了中國博士后科學(xue)(xue)(xue)基金“博新計(ji)劃”項目和(he)(he)(he)國家自然(ran)科學(xue)(xue)(xue)基金項目的(de)資助。

王如(ru)竹教授領(ling)銜的ITEWA團隊近年來(lai)在Joule、Energy&Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等(deng)期刊上發表了20余篇論文，該團隊致力于(yu)解(jie)決能源、水(shui)、空氣交叉(cha)領(ling)域(yu)的前(qian)沿基(ji)礎性(xing)(xing)科學問(wen)題和關(guan)鍵技術，旨在通過學科交叉(cha)實現(xian)材料-器件-系統層(ceng)面(mian)的整體解(jie)決方案，推動(dong)相關(guan)領(ling)域(yu)取(qu)得突破性(xing)(xing)進展。

論文鏈接(jie)：//doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.017