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如果一個能(neng)(neng)量(liang)系(xi)統可以同時(shi)存(cun)儲兩種或多種能(neng)(neng)量(liang)，則(ze)其能(neng)(neng)量(liang)密度會大(da)大(da)提(ti)升，而且這種復合的能(neng)(neng)量(liang)系(xi)統可能(neng)(neng)會通過不同種能(neng)(neng)量(liang)的協同作用超(chao)越單一能(neng)(neng)量(liang)系(xi)統的性能(neng)(neng)。然而，能(neng)(neng)夠同時(shi)存(cun)儲太(tai)陽能(neng)(neng)和環境(jing)熱的能(neng)(neng)源(yuan)利用技(ji)術還未受(shou)到科學界重(zhong)視。

近日，上海(hai)(hai)交通(tong)大學(xue)(xue)化(hua)學(xue)(xue)化(hua)工(gong)學(xue)(xue)院(yuan)李(li)濤(tao)課題組(zu)攜手查爾莫斯理(li)工(gong)大學(xue)(xue)Kasper Moth-Poulsen教(jiao)授、上海(hai)(hai)交通(tong)大學(xue)(xue)材(cai)料科學(xue)(xue)與(yu)工(gong)程學(xue)(xue)院(yuan)陶鵬研究員在分子光(guang)(guang)熱(re)技術上取得了(le)重要進(jin)展，報道了(le)利用光(guang)(guang)化(hua)學(xue)(xue)相變可以實現太陽光(guang)(guang)和(he)環境熱(re)的同步存儲與(yu)轉化(hua)，并首次發現了(le)光(guang)(guang)能驅動(dong)熱(re)能的品位(wei)提(ti)升。

該團(tuan)隊(dui)開發(fa)了能(neng)(neng)(neng)夠在(zai)室(shi)溫(wen)(wen)(wen)下發(fa)生光(guang)(guang)(guang)化學固液(ye)(ye)相變(bian)(bian)（即trans晶(jing)體(ti)?cis液(ye)(ye)體(ti)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化）的(de)小分(fen)子(zi)偶(ou)氮儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)材(cai)料(liao)。在(zai)trans晶(jing)體(ti)→cis液(ye)(ye)體(ti)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化過程中(zhong)，分(fen)子(zi)可以通(tong)(tong)(tong)過光(guang)(guang)(guang)異構反應和相變(bian)(bian)同時吸(xi)收大量的(de)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)和室(shi)溫(wen)(wen)(wen)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)，再(zai)通(tong)(tong)(tong)過觸(chu)發(fa)cis液(ye)(ye)體(ti)→trans晶(jing)體(ti)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)，所(suo)存(cun)儲(chu)(chu)的(de)能(neng)(neng)(neng)量將釋放為較(jiao)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)度的(de)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)。也(ye)就是(shi)說(shuo)，通(tong)(tong)(tong)過這種可逆的(de)光(guang)(guang)(guang)化學相變(bian)(bian)循環(huan)，分(fen)子(zi)材(cai)料(liao)可以吸(xi)收、存(cun)儲(chu)(chu)“免費的(de)”的(de)太陽能(neng)(neng)(neng)和環(huan)境(jing)熱(re)(re)，并在(zai)所(suo)需的(de)時候產出具(ju)有利用價(jia)值(zhi)的(de)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)，可簡單描述為：光(guang)(guang)(guang)+低溫(wen)(wen)(wen)熱(re)(re)→高(gao)溫(wen)(wen)(wen)熱(re)(re)。

圖(tu)1.光(guang)熱同步(bu)存儲(chu)與(yu)轉化的(de)示意圖(tu)與(yu)分子設計(ji)。

圖2.雙(shuang)向光化學相變的照(zhao)片展示。

這類偶氮(dan)小分子的能(neng)(neng)量密度達到了(le)0.3-0.4MJ/kg，在(zai)室溫環境下(xia)能(neng)(neng)量可以(yi)被(bei)長期地存儲(chu)起來（月(yue)級別(bie)）。該團隊還進一步展(zhan)示了(le)柔(rou)性(xing)的薄膜(mo)儲(chu)能(neng)(neng)器(qi)件，它的功率密度可達2.7kW/kg，所釋放出的熱(re)量比室溫高20℃以(yi)上，并在(zai)多次(ci)的儲(chu)能(neng)(neng)/放熱(re)循環中(zhong)性(xing)能(neng)(neng)保持穩定。

圖3.分子材(cai)料及(ji)其薄膜器件的能量存儲與釋放性能。

能(neng)(neng)量存儲(chu)與轉化過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)力(li)學分析表(biao)明：基(ji)于光(guang)化學相(xiang)(xiang)變的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)儲(chu)能(neng)(neng)不(bu)是(shi)簡單的(de)(de)(de)(de)光(guang)異構(gou)儲(chu)能(neng)(neng)與相(xiang)(xiang)變熱(re)(re)儲(chu)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)結合，在能(neng)(neng)量捕獲與釋放的(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)中光(guang)能(neng)(neng)和熱(re)(re)能(neng)(neng)這(zhe)(zhe)兩股能(neng)(neng)量互相(xiang)(xiang)配合，共同促進，無論是(shi)科(ke)學內涵的(de)(de)(de)(de)豐富性還是(shi)材(cai)料所能(neng)(neng)達(da)到的(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)都(dou)超越了(le)(le)單純的(de)(de)(de)(de)光(guang)儲(chu)能(neng)(neng)與熱(re)(re)儲(chu)能(neng)(neng)。特別地，由于光(guang)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)參與，所儲(chu)存的(de)(de)(de)(de)室溫熱(re)(re)能(neng)(neng)可(ke)以(yi)釋放為高(gao)溫熱(re)(re)能(neng)(neng)，這(zhe)(zhe)實際上表(biao)明了(le)(le)光(guang)能(neng)(neng)可(ke)以(yi)驅動熱(re)(re)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)品位提升，從而(er)開辟了(le)(le)利用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源來升級熱(re)(re)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)先(xian)河(he)。

圖4.能量(liang)存儲與(yu)轉化過程(cheng)的熱(re)力學(xue)分(fen)析(xi)。

這(zhe)一成果近期發(fa)表在Journal of the American Chemical Society上，上海交(jiao)通大(da)學(xue)博士后張召(zhao)陽是該(gai)論文的第(di)一作者(zhe)，李濤(tao)特(te)別研究員與Kasper Moth-Poulsen教(jiao)授為通訊(xun)作者(zhe)。該(gai)工作得到了國家重點(dian)研發(fa)計劃(2017YFA0207500)和國家自然科學(xue)基金(51673114,51973111)等的資助。