如何安全高效地存储能量一直是材料科学家思考的问题。电能可以用电池、超级电容器来存储，那热能呢？最佳答案可能就是相变材料（Phase-change materials，PCM）。相变材料为基础的热能存储体系已被公认是提高能源效率和可持续性的最先进的能源技术之一。其实，相变材料离我们并不遥远。之前流行过一整子的55 ℃杯，号称将开水倒入杯中摇1分钟，就能快速降温至可饮用的55 ℃，然后再倒入凉水，再摇1分钟就可利用此前储存的热量将其加热变成温水。且不管这个杯子引起的质疑，也不管它到底用的是专利技术还是便宜的三水醋酸钠，储热然后放热的关键就是杯子夹层里的相变材料。
言归正传。目前的各种储热相变材料都有一个共同的问题——放热过程无法控制，吸热之后的相变材料在较冷的环境中会自发放热，这极大增加了热损失。太容易“释放自我”，限制了相变材料储热的应用和发展。近期，麻省理工学院（MIT）的Jeffrey C. Grossman课题组研发了一种结合光开关掺杂剂和有机相变材料的复合材料，可以从太阳和其它热源吸收并储存热能，并在光照下按需释放热能。相关工作发表于Nature Communications，第一作者为Grace Han博士。
Grace Han博士与新型相变储热材料。图片来源：Melanie Gonick / MIT [1]
有机相变材料，如低成本石蜡、脂肪酸、聚乙二醇等，通常具有较大的相变潜热。但是，现有的相变材料经常需要大量的隔热材料，而且放热过程不受控制，存储的热量损失非常快。MIT的研究者将偶氮苯光开关掺杂剂加入到脂肪酸（正十三酸）中，制备出了光控的热能储存复合材料，利用光开关实现对热能的“收放自如”。
“光开关”控制热能的存储和释放。图片来源：Nat. Commun.
当温度超过脂肪酸熔点（Tm = 42 ℃）时，复合材料变成熔融的相变材料与偶氮苯掺杂剂（Tm = 73 ℃）晶态聚集体的混合物。在紫外光照射下，液态混合物中反式偶氮苯转化为顺式，并在熔融的相变材料中更易分散。此时，液态复合材料储存了相变材料的部分潜热（177 J g-1）、反式偶氮苯掺杂剂的部分潜热（118 J g-1）以及顺式偶氮苯的异构化能（116 J g-1）。神奇的是，复合材料可以在低于结晶温度（Tc=38 ℃）的环境下保持液态，存储的热能也可保持。这种不同寻常的储热能力通过亚稳态顺式掺杂剂实现，该亚稳态顺式掺杂剂可以通过空间排斥和偶极相互作用破坏相变材料分子的堆积，需要触发才可克服反向异构化的活化能垒。在可见光照射的触发下，可快速发生偶氮苯掺杂剂的异构化，从亚稳态顺式变为基态反式，导致相变材料材料发生相变，按需释放存储的热量，复合材料恢复到原始状态。
相变过程。图片来源：Nat. Commun.
在该系统中，ΔTc是复合材料原始状态结晶点（T1）与吸热状态结晶点（T2）之差，代表了复合材料在没有热损失情况下的相稳定度，而ΔHtotal则表示系统的预期放热能量密度。随后研究者分析了复合材料中偶氮苯掺杂剂的异构率，在1 h光照后，顺式异构体达到90%。有趣的是，改变偶氮苯掺杂剂的含量时，复合材料T1和T2显著变化，在35 mol%的掺杂水平下，∆Tc具有最大值。
复合材料相变过程及ΔHtotal、∆Tc测试。图片来源：Nat. Commun.
除掺杂剂浓度外，复合材料的冷却速率、掺杂剂的化学结构和掺杂剂与相变材料分子之间相互作用的相对强度等因素也会影响ΔTc值的大小。通过调节，可以实现热能较长时间的释放。另外，这种相变材料可以存储热能长达10小时，研究人员认为这一时间还能延长。
复合材料光控制机理。图片来源：Nat. Commun.
“系统可以使用任何热源，不仅仅是太阳能”，Han博士表示，“到处可见的废热就是很好的热源，各种工业过程甚至是汽车尾气都有热量，而这些热量通常都会被白白浪费掉。”[1]
不过要看到，这种带“光开关”的相变材料复合材料还仅仅是一个概念验证，能储存的热量并不多，实际能带来的温度变化也不算大。但是，该工作充满创意的思路可以为热能管理提供更深入见解，也有希望用于诸如废热回收、太阳能热采集和建筑智能温度控制等等领域。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Optically-controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials
Nat. Commun., 2017, 8, 1446, DOI: 10.1038/s41467-017-01608-y
参考资料
1.http://news.mit.edu/2017/new-way-store-thermal-energy-1117
（本文由小希供稿）
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