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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(shu)的概(gai)念和器件(jian)示意圖

熱電(dian)技(ji)術(shu)可以(yi)(yi)(yi)將(jiang)(jiang)太陽(yang)(yang)光(guang)的(de)(de)(de)熱能(neng)(neng)(neng)通過熱電(dian)效應轉化成電(dian)能(neng)(neng)(neng)，被(bei)認(ren)為是(shi)俘(fu)獲/存(cun)儲(chu)/利(li)用清(qing)潔太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)重要技(ji)術(shu)。特(te)別地，將(jiang)(jiang)熱電(dian)技(ji)術(shu)以(yi)(yi)(yi)聚光(guang)的(de)(de)(de)形式集(ji)成到(dao)相(xiang)變儲(chu)能(neng)(neng)(neng)材料(liao)上，而(er)不是(shi)直(zhi)接將(jiang)(jiang)入射(she)的(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)光(guang)設置在熱電(dian)裝置上，具有(you)諸多的(de)(de)(de)優點（圖1）：（1）利(li)用PCMs巨大(da)的(de)(de)(de)相(xiang)變潛熱，可以(yi)(yi)(yi)持續不斷地為電(dian)子器件提(ti)供電(dian)能(neng)(neng)(neng)，而(er)不會受到(dao)天氣變化/光(guang)照強度(du)浮動(dong)的(de)(de)(de)影響；（2）聚光(guang)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)受熱面積小，減小了(le)與外界環境的(de)(de)(de)換熱面積，有(you)利(li)于充分利(li)用太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)并有(you)效降低熱損失。

然而，這(zhe)種聚光(guang)相(xiang)變儲(chu)熱(re)技(ji)術的(de)挑戰則(ze)是：聚光(guang)處熱(re)源處的(de)熱(re)量發生(sheng)聚集，無法(fa)有(you)效地(di)傳導(dao)至PCMs整體，被完善地(di)吸收和存儲(chu)。這(zhe)一問題的(de)本質是PCMs的(de)導(dao)熱(re)系數低、傳熱(re)路(lu)徑(jing)不可控(kong)，導(dao)致PCMs傳熱(re)路(lu)徑(jing)短(duan)、傳熱(re)速度(du)慢、傳熱(re)不均勻。

圖(tu)2聚光(guang)相變材料聲(sheng)子(zi)導熱結構的(de)“定(ding)構”過程。

針對(dui)上述問題，在本文中，我們從冰晶生長熱力(li)學和(he)(he)動力(li)學出發(fa)，可(ke)控(kong)誘導(dao)氮(dan)化(hua)(hua)硼(peng)三維骨架的(de)(de)(de)(de)“overlapped interconnection”和(he)(he)“radial orientation”（圖2），解決(jue)了過(guo)去導(dao)熱材(cai)料(liao)面內方向和(he)(he)垂(chui)直(zhi)方向導(dao)熱系數無法同時提升(sheng)的(de)(de)(de)(de)難題，同時賦(fu)予(yu)了PCMs材(cai)料(liao)“定構傳熱”的(de)(de)(de)(de)效果：如圖3，聚光處的(de)(de)(de)(de)熱量(liang)可(ke)通過(guo)定構的(de)(de)(de)(de)氮(dan)化(hua)(hua)硼(peng)聲子網絡(luo)定向、可(ke)控(kong)地傳遞到整個(ge)PCMs，具有快(kuai)速、均勻(yun)、可(ke)控(kong)的(de)(de)(de)(de)傳熱特點，從而(er)能夠(gou)將入射的(de)(de)(de)(de)太陽光產生的(de)(de)(de)(de)熱量(liang)充分地被PCMs吸收和(he)(he)轉化(hua)(hua)。

我們(men)在2020年的(de)(de)(de)冬(dong)天(tian)（2月24日(ri)），在我國光(guang)(guang)照(zhao)強度(du)比較低的(de)(de)(de)一個城市（四川(chuan)綿陽）開展了實(shi)地(di)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)-熱(re)-電轉換實(shi)驗，在沒有較強光(guang)(guang)照(zhao)的(de)(de)(de)條(tiao)件下，這種(zhong)聚光(guang)(guang)相變儲熱(re)器(qi)件就能(neng)產生40 W/m2的(de)(de)(de)電能(neng)，遠遠超出了同類(lei)型的(de)(de)(de)相變儲熱(re)文獻報道的(de)(de)(de)效果(guo)。

圖3聚光相變儲熱技術(shu)的可(ke)控傳(chuan)熱效果與光-熱-電轉換。

當(dang)然，我們也(ye)認為這種(zhong)技術目前(qian)仍不(bu)(bu)是特別成熟，也(ye)存在(zai)很多不(bu)(bu)足。例如：（1）受限于較低的(de)(de)導熱(re)系數(shu)，傳(chuan)熱(re)路徑無(wu)法(fa)達到(dao)“米”的(de)(de)水平，器件(jian)無(wu)法(fa)被(bei)進一步放大(da)；（2）整個(ge)器件(jian)在(zai)設(she)計的(de)(de)過(guo)程中，諸多環節造成的(de)(de)熱(re)損失仍然較大(da)；（3）材料(liao)的(de)(de)制備無(wu)法(fa)規模(mo)化(hua)，離實際應用還有一段距離。

因此(ci)，這個體系的研究工作我們(men)也正在不斷(duan)地改進和(he)完善。但我們(men)相信，這種聚光相變儲熱技(ji)術，還是有(you)望為(wei)高(gao)效利用清潔太陽能、緩解(jie)能源/環境等(deng)問(wen)題提供一些新的思考和(he)啟(qi)發(fa)。

四川大學(xue)傅(fu)強教授課題組近年來一(yi)直致力于“高分子定(ding)構加工(gong)”的研(yan)(yan)究(jiu)工(gong)作，吳凱副研(yan)(yan)究(jiu)員長期圍繞(rao)高導熱材料的定(ding)構方法學(xue)（Compos.Sci.Technol.2016 130 28;Compos.Sci.Technol.2016 134 191;ACS Appl.Mater.Interfaces2017 9 7637;Compos.Sci.Technol.2017 151 193;ACS Appl.Mater.Interfaces2017 9 30035;J.Mater.Chem.A2018 6 11863;J.Mater.Chem.A2019 7 7664;）、熱能的存(cun)儲/轉換/利用（Adv.Mater.2020 32 1906939;ACS Nano2020 DOI:10.1021/acsnano.0c06680;ACS Appl.Mater.Interfaces2019 11 40685;Chem.Eng.J.2020 394 124929;Green Chem.2020 22 4121;）、以及可控(kong)熱傳導和先進熱管理開展了一(yi)些研(yan)(yan)究(jiu)，希望以“定(ding)構加工(gong)”的思路為解決高分子材料的熱管理問(wen)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 SolarThermalElectric Conversion”發(fa)表在ACS Nano（ACS Nano,2020,DOI:10.1021/acsnano.0c06680）上。四川(chuan)大學(xue)高分子學(xue)院的科(ke)研(yan)助理（碩(shuo)士畢業(ye)生）劉丁堯和雷楚昕為(wei)本論文的共同(tong)第一作者，通訊作者為(wei)四川(chuan)大學(xue)高分子學(xue)院的傅(fu)強教授和吳凱副研(yan)究(jiu)員。感(gan)謝國家自(zi)(zi)然(ran)(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金面(mian)上基(ji)金（No.51573102和No.51421061）、國家自(zi)(zi)然(ran)(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金創新群體項(xiang)目（No.51721091）、江(jiang)蘇(su)省(sheng)自(zi)(zi)然(ran)(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金青年基(ji)金對(dui)本工作的支(zhi)持！