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來(lai)自(zi)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)的(de)(de)光(guang)能(neng)(neng)和周圍環境中的(de)(de)熱(re)(re)能(neng)(neng)是自(zi)然界饋(kui)贈給人類(lei)的(de)(de)兩種取(qu)之不盡(jin)用之不竭的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)。隨著全(quan)球能(neng)(neng)源危機(ji)和環境問(wen)題的(de)(de)加重，這兩種能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)有(you)效利(li)用受到了極大的(de)(de)重視。為了有(you)效地轉(zhuan)化(hua)/存儲太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)，人們(men)基于光(guang)物(wu)理或光(guang)化(hua)學(xue)的(de)(de)原(yuan)理開發(fa)了多(duo)(duo)種技術，如(ru)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)集熱(re)(re)器、太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池和太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料(liao)等。同時，為了吸收(shou)并利(li)用環境熱(re)(re)能(neng)(neng)，人們(men)基于熱(re)(re)物(wu)理或熱(re)(re)化(hua)學(xue)的(de)(de)原(yuan)理也發(fa)展(zhan)了多(duo)(duo)種技術，如(ru)相變儲熱(re)(re)、熱(re)(re)電(dian)和熱(re)(re)泵(beng)等。

如果一個(ge)能(neng)(neng)量系(xi)統(tong)可(ke)以同時存儲兩種(zhong)或多種(zhong)能(neng)(neng)量，則其能(neng)(neng)量密度會大大提升，而且這(zhe)種(zhong)復合的(de)能(neng)(neng)量系(xi)統(tong)可(ke)能(neng)(neng)會通過不同種(zhong)能(neng)(neng)量的(de)協(xie)同作(zuo)用超越(yue)單(dan)一能(neng)(neng)量系(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)(neng)。然而，能(neng)(neng)夠同時存儲太陽能(neng)(neng)和(he)環境熱的(de)能(neng)(neng)源(yuan)利用技(ji)術還未受(shou)到科學界重視。

近日，上(shang)海(hai)交(jiao)通大(da)(da)學化(hua)學化(hua)工(gong)學院李(li)濤課(ke)題組攜手(shou)查爾莫斯理工(gong)大(da)(da)學Kasper Moth-Poulsen教授、上(shang)海(hai)交(jiao)通大(da)(da)學材料(liao)科學與(yu)工(gong)程學院陶鵬(peng)研究員在分子光熱技術上(shang)取得了重要進展，報道(dao)了利用光化(hua)學相變可以實現(xian)太(tai)陽(yang)光和環(huan)境熱的同步存儲(chu)與(yu)轉化(hua)，并首(shou)次發現(xian)了光能驅動熱能的品位提升。

該團隊開發了(le)能(neng)(neng)夠在(zai)(zai)室溫(wen)下發生(sheng)光(guang)(guang)化(hua)學固液(ye)(ye)相變（即trans晶體(ti)(ti)?cis液(ye)(ye)體(ti)(ti)轉(zhuan)化(hua)）的(de)小分子偶(ou)氮儲能(neng)(neng)材料(liao)(liao)。在(zai)(zai)trans晶體(ti)(ti)→cis液(ye)(ye)體(ti)(ti)轉(zhuan)化(hua)過(guo)(guo)程中，分子可以通過(guo)(guo)光(guang)(guang)異構(gou)反應和相變同(tong)時吸收大量(liang)的(de)光(guang)(guang)能(neng)(neng)和室溫(wen)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)，再通過(guo)(guo)觸發cis液(ye)(ye)體(ti)(ti)→trans晶體(ti)(ti)的(de)轉(zhuan)變，所存儲的(de)能(neng)(neng)量(liang)將釋放為(wei)較高(gao)溫(wen)度的(de)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)。也就是說(shuo)，通過(guo)(guo)這種可逆的(de)光(guang)(guang)化(hua)學相變循環，分子材料(liao)(liao)可以吸收、存儲“免費的(de)”的(de)太陽能(neng)(neng)和環境(jing)熱(re)(re)(re)(re)，并(bing)在(zai)(zai)所需的(de)時候產出具有利用價值的(de)高(gao)溫(wen)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)，可簡單描述為(wei)：光(guang)(guang)+低溫(wen)熱(re)(re)(re)(re)→高(gao)溫(wen)熱(re)(re)(re)(re)。

圖(tu)1.光(guang)熱(re)同步存儲(chu)與轉化的(de)示(shi)意(yi)圖(tu)與分子設計。

圖2.雙向光化學相變的照片展(zhan)示(shi)。

這類偶(ou)氮小分子的能量密(mi)度達(da)到了0.3-0.4MJ/kg，在(zai)室溫環(huan)(huan)境下能量可以(yi)被長期地存儲起來（月(yue)級別）。該團隊還(huan)進一步(bu)展示了柔性(xing)的薄(bo)膜儲能器件，它的功(gong)率密(mi)度可達(da)2.7kW/kg，所釋放出的熱量比室溫高20℃以(yi)上，并在(zai)多次的儲能/放熱循環(huan)(huan)中性(xing)能保持(chi)穩(wen)定。

圖3.分子材料及其薄膜器件的(de)能量(liang)存儲(chu)與釋(shi)放性能。

能(neng)(neng)(neng)(neng)量存(cun)儲(chu)(chu)(chu)與(yu)(yu)轉化過程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)力學分析(xi)表明：基于光(guang)(guang)化學相變的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)不是簡單的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)異(yi)構儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)與(yu)(yu)相變熱(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)結合(he)，在能(neng)(neng)(neng)(neng)量捕(bu)獲與(yu)(yu)釋(shi)放的(de)(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中光(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)(neng)和(he)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)這兩股能(neng)(neng)(neng)(neng)量互相配合(he)，共(gong)同(tong)促進，無論是科學內涵(han)的(de)(de)(de)(de)(de)豐富性還是材料所(suo)能(neng)(neng)(neng)(neng)達(da)到的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)(neng)都超越了(le)單純的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)與(yu)(yu)熱(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)。特別地，由(you)于光(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)參與(yu)(yu)，所(suo)儲(chu)(chu)(chu)存(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)室溫(wen)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)可以釋(shi)放為高溫(wen)熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)，這實際上表明了(le)光(guang)(guang)能(neng)(neng)(neng)(neng)可以驅(qu)動熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)品位提升，從而開辟(pi)了(le)利(li)用(yong)可再(zai)生能(neng)(neng)(neng)(neng)源來升級熱(re)(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)先河。

圖4.能量存儲與轉化(hua)過程的熱力學分析。

這一成果近(jin)期發表在Journal of the American Chemical Society上，上海交通(tong)(tong)大學(xue)博士后張召陽是該(gai)論文的第一作(zuo)者，李濤特(te)別研究員與Kasper Moth-Poulsen教授為通(tong)(tong)訊作(zuo)者。該(gai)工(gong)作(zuo)得(de)到了國家(jia)重(zhong)點(dian)研發計劃(2017YFA0207500)和國家(jia)自然科學(xue)基金(51673114,51973111)等的資助。