上海交大为储热找到了新型光化学相变材料
近日，上海交大制冷与低温工程研究所王如竹教授和李廷贤研究员领衔的“能源-空气-水” 交叉学科创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在物质科学领域期刊Matter上发表了题为“Photoswitchable Phase Change Materials for Unconventional Thermal Energy Storage and Upgrade”的论文。论文第一作者是制冷与低温工程研究所博士后仵斯，通讯作者是李廷贤研究员和王如竹教授。
传统材料的固液相变温度近似恒定，适合用于热能存储；而气液相变行为则表现为多相变特性，可通过改变饱和蒸气压力改变相变温度，实际应用中表现为对热能品位的调控，即蒸气压缩式热泵或空调的热力学原理，然而气液相变由于体积变化大而一般不适合用于热能存储。如何打破传统材料相变特性的热力学限制，使其可同时用于热能存储与热能品位调控，则是一项极具挑战性的课题。通过深入调研分析，论文提出了利用特定材料的双固液相变特性和可切换相变行为,解决传统固液相变储热长期面临的瓶颈难题。类似于气液相变的多相变特性，特定材料在两种状态下具有不同的固液相变行为，通过某种能量驱动可实现两种状态的切换，该驱动能量可以是电能、电磁能、光能等。
图1 三类相变特性的温度-焓值关系
近几年，光诱导材料发生固液相变是化学领域的研究热点，而如何从热力学的角度理解这种新奇的现象尚未得到解决。经过深入分析将该现象归结为可切换的双固液相变特性，驱动能量为光能（通常为紫外光），即光致分子异构前后材料的两种聚集态展示出不同的固液相变行为。在光化学与热物理耦合作用下，该材料特殊的固液相变行为将大大丰富相变储热的热力学内涵。论文从热力学基本原理出发，采用温焓图清晰地阐释了利用光切换相变材料实现复合储热与热能品位升级、长周期储热等非常规应用，并指出了实现这些创新应用的技术路径、关键挑战和未来发展方向。论文进一步探讨了基于光化学-光热协同转换的太阳能分光谱高效利用以制取太阳能零碳热燃料的潜在应用和未来研究方向。
图2 光化学相变材料的未来发展趋势及多功能用途
新兴的光化学相变储能将吸引来自化学、材料科学、能源科学等多学科的关注，需要从分子设计、材料制备、器件制造、热力学循环构建和系统优化等方面进行多尺度的理论和实验研究。需要进一步解决四个关键问题：1）通过合理的分子设计，包括使用柔性分子链、破坏分子对称性等调控材料的热力学性能；2）通过分子设计和材料制备强化分子异构和相变的动力学性能，如采用微胶囊技术扩大比表面积，加速光热传输等；3）通过提高量子产率和抑制光热效应提高能量转换效率；4）通过分子设计和器件设计调制吸收光谱，实现太阳能的高效转化和存储。此外，新的热力循环和系统结构设计对最终的实际应用也至关重要。研究工作得到了中国博士后科学基金“博新计划”项目和国家自然科学基金项目的资助。
王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上发表了20余篇论文，该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。
