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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1 聚光相變儲熱技術的概念和器件示意圖

  熱電技術可以將太陽光的熱能通過熱電效應轉化成電能，被認為是俘獲/存儲/利用清潔太陽能的一種重要技術。特別地，將熱電技術以聚光的形式集成到相變儲能材料上，而不是直接將入射的太陽光設置在熱電裝置上，具有諸多的優點（圖1）：（1）利用PCMs巨大的相變潛熱，可以持續不斷地為電子器件提供電能，而不會受到天氣變化/光照強度浮動的影響；（2）聚光技術的受熱面積小，減小了與外界環境的換熱面積，有利于充分利用太陽能并有效降低熱損失。然而，這種聚光相變儲熱技術的挑戰則是：聚光處熱源處的熱量發生聚集，無法有效地傳導至PCMs整體，被完善地吸收和存儲。這一問題的本質是PCMs的導熱系數低、傳熱路徑不可控，導致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熱結構的“定構”過程。

  針對上述問題，在本文中，他們從冰晶生長熱力學和動力學出發，可控誘導氮化硼三維骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（圖2），解決了過去導熱材料面內方向和垂直方向導熱系數無法同時提升的難題，同時賦予了PCMs材料“定構傳熱”的效果：如圖3，聚光處的熱量可通過定構的氮化硼聲子網絡定向、可控地傳遞到整個PCMs，具有快速、均勻、可控的傳熱特點，從而能夠將入射的太陽光產生的熱量充分地被PCMs吸收和轉化。他們在2020年的冬天（2月24日），在我國光照強度比較低的一個城市（四川綿陽）開展了實地的光-熱-電轉換實驗，在沒有較強光照的條件下，這種聚光相變儲熱器件就能產生?40 W/m²的電能，遠遠超出了同類型的相變儲熱文獻報道的效果。

圖3 聚光相變儲熱技術的可控傳熱效果與光-熱-電轉換。

  當然，研究人員也認為這種技術目前仍不是特別成熟，也存在很多不足。例如：（1）受限于較低的導熱系數，傳熱路徑無法達到“米”的水平，器件無法被進一步放大；（2）整個器件在設計的過程中，諸多環節造成的熱損失仍然較大；（3）材料的制備無法規模化，離實際應用還有一段距離。因此，這個體系的研究工作他們也正在不斷地改進和完善。但相信，這種聚光相變儲熱技術，還是有望為高效利用清潔太陽能、緩解能源/環境等問題提供一些新的思考和啟發。

  四川大學傅強教授課題組近年來一直致力于“高分子定構加工”的研究工作，吳凱副研究員長期圍繞高導熱材料的定構方法學（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/轉換/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;）、以及可控熱傳導和先進熱管理開展了一些研究，希望以“定構加工”的思路為解決高分子材料的熱管理問題提供更多的可能。

  相關成果以“A Multidirectionally Thermoconductive Phase Change Material Enables High and Durable Electricity via Real-Environment Solar?Thermal?Electric Conversion”發表在ACS Nano（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c06680）上。四川大學高分子學院的科研助理（碩士畢業生）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高分子學院的傅強教授和吳凱副研究員。感謝國家自然科學基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、國家自然科學基金創新群體項目（No. 51721091）、江蘇省自然科學基金青年基金對本工作的支持！

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