近日，上海交大制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢研究員領銜的“能源-空氣-水”交叉學科創新團隊ITEWA（Innovative Team for Energy,Water&Air）在物質科學領域期刊Matter上發表了題為“Photoswitchable Phase Change Materials for Unconventional Thermal Energy Storage and Upgrade”的論文。論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士后仵斯，通訊作者是李廷賢研究員和王如竹教授。

傳統材料的固液相變溫度近似恒定，適合用于熱能存儲；而氣液相變行為則表現為多相變特性，可通過改變飽和蒸氣壓力改變相變溫度，實際應用中表現為對熱能品位的調控，即蒸氣壓縮式熱泵或空調的熱力學原理，然而氣液相變由于體積變化大而一般不適合用于熱能存儲。如何打破傳統材料相變特性的熱力學限制，使其可同時用于熱能存儲與熱能品位調控，則是一項極具挑戰性的課題。通過深入調研分析，論文提出了利用特定材料的雙固液相變特性和可切換相變行為,解決傳統固液相變儲熱長期面臨的瓶頸難題。類似于氣液相變的多相變特性，特定材料在兩種狀態下具有不同的固液相變行為，通過某種能量驅動可實現兩種狀態的切換，該驅動能量可以是電能、電磁能、光能等。

圖1三類相變特性的溫度-焓值關系

近幾年，光誘導材料發生固液相變是化學領域的研究熱點，而如何從熱力學的角度理解這種新奇的現象尚未得到解決。經過深入分析將該現象歸結為可切換的雙固液相變特性，驅動能量為光能（通常為紫外光），即光致分子異構前后材料的兩種聚集態展示出不同的固液相變行為。在光化學與熱物理耦合作用下，該材料特殊的固液相變行為將大大豐富相變儲熱的熱力學內涵。論文從熱力學基本原理出發，采用溫焓圖清晰地闡釋了利用光切換相變材料實現復合儲熱與熱能品位升級、長周期儲熱等非常規應用，并指出了實現這些創新應用的技術路徑、關鍵挑戰和未來發展方向。論文進一步探討了基于光化學-光熱協同轉換的太陽能分光譜高效利用以制取太陽能零碳熱燃料的潛在應用和未來研究方向。

圖2光化學相變材料的未來發展趨勢及多功能用途

新興的光化學相變儲能將吸引來自化學、材料科學、能源科學等多學科的關注，需要從分子設計、材料制備、器件制造、熱力學循環構建和系統優化等方面進行多尺度的理論和實驗研究。需要進一步解決四個關鍵問題：1）通過合理的分子設計，包括使用柔性分子鏈、破壞分子對稱性等調控材料的熱力學性能；2）通過分子設計和材料制備強化分子異構和相變的動力學性能，如采用微膠囊技術擴大比表面積，加速光熱傳輸等；3）通過提高量子產率和抑制光熱效應提高能量轉換效率；4）通過分子設計和器件設計調制吸收光譜，實現太陽能的高效轉化和存儲。此外，新的熱力循環和系統結構設計對最終的實際應用也至關重要。研究工作得到了中國博士后科學基金“博新計劃”項目和國家自然科學基金項目的資助。

王如竹教授領銜的ITEWA團隊近年來在Joule、Energy&Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上發表了20余篇論文，該團隊致力于解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.017