上海交大王如竹/李廷贤《Matter》综述：光开关相变材料的非常规热能储存和升级

全球70%以上的一次能源投入以热能的形式被浪费，其中约63%是100°C以下的低度热能。包括储热和热升级在内的热能调节技术通过提高能源使用的可持续性，在减少碳足迹方面发挥着广泛而关键的作用。基于相变材料（PCM）的热能存储近年来在许多应用中备受关注，例如建筑物的加热和冷却、电池和电子热管理以及热纺织品。然而，该领域至少有三个长期存在的瓶颈，即能量存储密度相对较低、存储持续时间短以及一个存储/释放周期中的热降解。最近，研究人员开发出的光开关PCM对解决这些难题有极大的帮助。这种PCM同时存在光子诱导的分子异构化和热诱导的固液相转变，这赋予它们双重和可切换的相变行为。这种独特的性能为探索非常规热能储存和升级技术，甚至开发新型太阳能热燃料开辟了新途径。

近日，上海交通大学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-水-空气ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在国际顶级期刊《Matter》上发表了题为“Photoswitchable phase change materials for unconventional thermal energy storage and upgrade”的综述文章。论文聚焦用于非常规热能储存和升级的光开关相变材料，作者首先系统地介绍了近几年光开关PCM的最新研究进展并深入了解其潜在应用。然后，从调整热力学参数，增强异构化和相变动力学、提高能量转换效率和调节吸收光谱四个方面分析了光开关PCM所面临的挑战。最后，作者总结了光开关PCM未来的研究方向和亟需解决的问题。该综述论文为进一步设计具有独特优势的光开关相变材料提供了非常深刻的见解并为非常规能源相关应用提供更多可能性。研究工作得到了国家自然科学基金（52106020和51973111）和中国国家创新人才博士后计划（BX20200207）的支持。

传统PCM和光开关PCM之间相变比较

几乎所有的传统相变材料（PCMs）都有从几摄氏度到几十摄氏度的过冷（熔点Tm和结晶点Tc之间的差异），导致不可避免的热力学能量退化。液-气相变通常具有相变（蒸发/冷凝）温度与液/气饱和压力之间的强相关性。然而，这种热调节装置由于在液相/气相转变过程中体积变化巨大而不适用于储热。特别地，光开关PCM，可以认为是在分子水平上向具有长链烷基的常规有机固液PCM的分子中引入了一个可光转换的官能团（图2）。热物理固液相转变与光化学分子异构化耦合或受其控制，可以成为实现热能同步存储和升级的可行途径。由于光转换官能团在光激发前后具有不同的几何结构导致凝聚相材料的相变行为不同。所有这些特性正好满足了传统潜热蓄热长期存在的挑战，为开发基于光开关PCM的非常规蓄热和升级技术开辟了可能性。

图1传统PCM和光开关PCM之间相变比较

光开关PCM的应用前景和未来发展方向

光可开关PCM呈现出双重和可切换的相变行为，这使得它们适用于非常规能源相关应用，如长期热能存储、集成热能存储和升级以及可切换的工作温度（图2）。此外，这种相变材料还可作为太阳能高效收集和零碳供热的新型太阳能热燃料。不仅如此，新兴的光开关PCM可以吸引化学、材料科学和能源工程的跨学科研究。实际应用需要从分子设计、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理论和实验研究。然而，目前至少有四个关键问题需要进一步解决：（1）通过合理的分子设计调整光开关PCM的热力学性质，包括使用柔性链（烷基或寡链）、破坏分子对称性的取代基和特殊的分子几何学；（2）通过材料制备增强分子异构化和相变（即熔化/结晶）的动力学（例如，通过微囊化技术扩大比表面积以加速光和热的传输）；（3）通过增加量子产率和抑制光热效应来提高能量转换效率；（4）调节吸收光谱，主要通过分子设计来实现太阳能的高收集和存储效率。

图2光开关相变材料未来研究方向和非常规应用

王如竹教授领衔的ITEWA团队致力于解决能源、水、空气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”多层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials 等期刊上发表系列跨学科交叉论文。

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521004628

来源：高分子科学前沿

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