四川大學(xué)傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種基于“定構(gòu)”的策略實現(xiàn)了聚光相變儲熱技術(shù)的可控?zé)峁芾?，通過誘導(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，將日常生活中最常見的太陽光源源不斷地轉(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 聚光相變儲熱技術(shù)的概念和器件示意圖

熱電技術(shù)可以將太陽光的熱能通過熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能，被認(rèn)為是俘獲/存儲/利用清潔太陽能的一種重要技術(shù)。特別地，將熱電技術(shù)以聚光的形式集成到相變儲能材料上，而不是直接將入射的太陽光設(shè)置在熱電裝置上，具有諸多的優(yōu)點（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，而不會受到天氣變化/光照強度浮動的影響；（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能并有效降低熱損失。然而，這種聚光相變儲熱技術(shù)的挑戰(zhàn)則是：聚光處熱源處的熱量發(fā)生聚集，無法有效地傳導(dǎo)至PCMs整體，被完善地吸收和存儲。這一問題的本質(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)”過程。

針對上述問題，在本文中，我們從冰晶生長熱力學(xué)和動力學(xué)出發(fā)，可控誘導(dǎo)氮化硼三維骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（圖2），解決了過去導(dǎo)熱材料面內(nèi)方向和垂直方向?qū)嵯禂?shù)無法同時提升的難題，同時賦予了PCMs材料“定構(gòu)傳熱”的效果：如圖3，聚光處的熱量可通過定構(gòu)的氮化硼聲子網(wǎng)絡(luò)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?qū)⑷肷涞奶柟猱a(chǎn)生的熱量充分地被PCMs吸收和轉(zhuǎn)化。我們在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(zhuǎn)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(chǎn)生40 W/m2的電能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)的可控傳熱效果與光-熱-電轉(zhuǎn)換。

該技術(shù)仍存在很多不足。例如：（1）受限于較低的導(dǎo)熱系數(shù)，傳熱路徑無法達(dá)到“米”的水平，器件無法被進一步放大；（2）整個器件在設(shè)計的過程中，諸多環(huán)節(jié)造成的熱損失仍然較大；（3）材料的制備無法規(guī)?；?，離實際應(yīng)用還有一段距離。因此，這個體系的研究工作我們也正在不斷地改進和完善。但我們相信，這種聚光相變儲熱技術(shù)，還是有望為高效利用清潔太陽能、緩解能源/環(huán)境等問題提供一些新的思考和啟發(fā)。

本文來源：ACS Nano，高分子科學(xué)前沿，轉(zhuǎn)載在于傳遞更多行業(yè)信息，如有不適，請聯(lián)系我們，謝謝。

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