四川大学傅强教授/吴凯副研究员ACS Nano：聚光相变储热技术的可控热管理
日前，四川大学傅强教授/吴凯副研究员团队报道了一种基于“定构”的策略实现了聚光相变储热技术的可控热管理，通过诱导相变材料（PCMs）内部导热网络的多向取向，赋予了传统PCMs“快速”、“均匀”、“可控”的传热特点，将日常生活中最常见的太阳光源源不断地转换成热能和电能。相关研究成果在线发表于材料领域优秀期刊ACS Nano上。
图1 聚光相变储热技术的概念和器件示意图
热电技术可以将太阳光的热能通过热电效应转化成电能，被认为是俘获/存储/利用清洁太阳能的一种重要技术。特别地，将热电技术以聚光的形式集成到相变储能材料上，而不是直接将入射的太阳光设置在热电装置上，具有诸多的优点（图1）：（1）利用PCMs巨大的相变潜热，可以持续不断地为电子器件提供电能，而不会受到天气变化/光照强度浮动的影响；（2）聚光技术的受热面积小，减小了与外界环境的换热面积，有利于充分利用太阳能并有效降低热损失。然而，这种聚光相变储热技术的挑战则是：聚光处热源处的热量发生聚集，无法有效地传导至PCMs整体，被完善地吸收和存储。这一问题的本质是PCMs的导热系数低、传热路径不可控，导致PCMs传热路径短、传热速度慢、传热不均匀。
图2 聚光相变材料声子导热结构的“定构”过程。
针对上述问题，在本文中，他们从冰晶生长热力学和动力学出发，可控诱导氮化硼三维骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（图2），解决了过去导热材料面内方向和垂直方向导热系数无法同时提升的难题，同时赋予了PCMs材料“定构传热”的效果：如图3，聚光处的热量可通过定构的氮化硼声子网络定向、可控地传递到整个PCMs，具有快速、均匀、可控的传热特点，从而能够将入射的太阳光产生的热量充分地被PCMs吸收和转化。他们在2020年的冬天（2月24日），在我国光照强度比较低的一个城市（四川绵阳）开展了实地的光-热-电转换实验，在没有较强光照的条件下，这种聚光相变储热器件就能产生»40 W/m2的电能，远远超出了同类型的相变储热文献报道的效果。
图3 聚光相变储热技术的可控传热效果与光-热-电转换。
当然，研究人员也认为这种技术目前仍不是特别成熟，也存在很多不足。例如：（1）受限于较低的导热系数，传热路径无法达到“米”的水平，器件无法被进一步放大；（2）整个器件在设计的过程中，诸多环节造成的热损失仍然较大；（3）材料的制备无法规模化，离实际应用还有一段距离。因此，这个体系的研究工作他们也正在不断地改进和完善。但相信，这种聚光相变储热技术，还是有望为高效利用清洁太阳能、缓解能源/环境等问题提供一些新的思考和启发。
四川大学傅强教授课题组近年来一直致力于“高分子定构加工”的研究工作，吴凯副研究员长期围绕高导热材料的定构方法学（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;）、热能的存储/转换/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;）、以及可控热传导和先进热管理开展了一些研究，希望以“定构加工”的思路为解决高分子材料的热管理问题提供更多的可能。
相关成果以“A Multidirectionally Thermoconductive Phase Change Material Enables High and Durable Electricity via Real-Environment Solar−Thermal−Electric Conversion”发表在ACS Nano（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c06680）上。四川大学高分子学院的科研助理（硕士毕业生）刘丁尧和雷楚昕为本论文的共同第一作者，通讯作者为四川大学高分子学院的傅强教授和吴凯副研究员。感谢国家自然科学基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、国家自然科学基金创新群体项目（No. 51721091）、江苏省自然科学基金青年基金对本工作的支持！
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06680
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