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  日前，四川大學(xué)傅強(qiáng)教授/吳凱副研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于“定構(gòu)”的策略實(shí)現(xiàn)了聚光相變儲(chǔ)熱技術(shù)的可控?zé)峁芾�，通過(guò)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(diǎn)，將日常生活中最常見(jiàn)的太陽(yáng)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(chǔ)熱技術(shù)的概念和器件示意圖

  熱電技術(shù)可以將太陽(yáng)光的熱能通過(guò)熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能，被認(rèn)為是俘獲/存儲(chǔ)/利用清潔太陽(yáng)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(chǔ)能材料上，而不是直接將入射的太陽(yáng)光設(shè)置在熱電裝置上，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)（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(huì)受到天氣變化/光照強(qiáng)度浮動(dòng)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(yáng)能并有效降低熱損失。然而，這種聚光相變儲(chǔ)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(wú)法有效地傳導(dǎo)至PCMs整體，被完善地吸收和存儲(chǔ)。這一問(wèn)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(guò)程。

  針對(duì)上述問(wèn)題，在本文中，他們從冰晶生長(zhǎng)熱力學(xué)和動(dòng)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(guò)去導(dǎo)熱材料面內(nèi)方向和垂直方向?qū)嵯禂?shù)無(wú)法同時(shí)提升的難題，同時(shí)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(guò)定構(gòu)的氮化硼聲子網(wǎng)絡(luò)定向、可控地傳遞到整個(gè)PCMs，具有快速、均勻、可控的傳熱特點(diǎn)，從而能夠?qū)⑷肷涞奶?yáng)光產(chǎn)生的熱量充分地被PCMs吸收和轉(zhuǎn)化。他們?cè)?020年的冬天（2月24日），在我國(guó)光照強(qiáng)度比較低的一個(gè)城市（四川綿陽(yáng)）開(kāi)展了實(shí)地的光-熱-電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，在沒(méi)有較強(qiáng)光照的條件下，這種聚光相變儲(chǔ)熱器件就能產(chǎn)生?40 W/m²的電能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了同類型的相變儲(chǔ)熱文獻(xiàn)報(bào)道的效果。

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

  當(dāng)然，研究人員也認(rèn)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(wú)法達(dá)到“米”的水平，器件無(wú)法被進(jìn)一步放大；（2）整個(gè)器件在設(shè)計(jì)的過(guò)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(wú)法規(guī)�；�，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。因此，這個(gè)體系的研究工作他們也正在不斷地改進(jìn)和完善。但相信，這種聚光相變儲(chǔ)熱技術(shù)，還是有望為高效利用清潔太陽(yáng)能、緩解能源/環(huán)境等問(wèn)題提供一些新的思考和啟發(fā)。

  四川大學(xué)傅強(qiáng)教授課題組近年來(lái)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(zhǎng)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. Interfaces 2017 9 7637; Compos. Sci. Technol. 2017 151 193; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017 9 30035; J. Mater. Chem. A 2018 6 11863; J. Mater. Chem. A 2019 7 7664;）、熱能的存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換/利用（Adv. Mater. 2020 32 1906939; ACS Nano 2020 DOI: 10.1021/acsnano.0c06680; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019 11 40685; Chem. Eng. J. 2020 394 124929; Green Chem. 2020 22 4121;）、以及可控?zé)醾鲗?dǎo)和先進(jìn)熱管理開(kāi)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(wèn)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 Solar?Thermal?Electric 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(qiáng)教授和吳凱副研究員。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目（No. 51721091）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金對(duì)本工作的支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06680