9月11日，《科學(xué)》（Science）以First Release形式刊發(fā)了武漢光電國(guó)家研究中心周軍教授團(tuán)隊(duì)最新研究進(jìn)展“Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”。該研究工作第一署名單位為華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，博士生余帛陽(yáng)、段將將副教授為共同第一作者，周軍為通訊作者。此外，論文合作者還包括武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院叢恒將副教授、周軍團(tuán)隊(duì)多名研究生（謝文科、柳容、莊欣妍、王卉、齊備）、華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐鳴教授和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士等。
圖為武漢光電國(guó)家研究中心周軍教授團(tuán)隊(duì)。
研究提到，低品位熱能（<100℃）廣泛存在于自然環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)過程中，包括環(huán)境熱（太陽(yáng)光熱、地?zé)幔?、工業(yè)廢熱以及人體熱等，但由于缺乏經(jīng)濟(jì)高效的能源回收技術(shù)，該部分能量基本被廢棄。
水系熱化學(xué)電池被認(rèn)為是一種低成本、易放大的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。據(jù)預(yù)測(cè)，熱化學(xué)電池的相對(duì)卡諾循環(huán)效率若達(dá)到5%以上即有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但至今仍無法跨過這一門檻（此前最高相對(duì)卡諾循環(huán)效率為~3.95%）。
水系熱化學(xué)電池相對(duì)卡諾循環(huán)效率與塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率以及電導(dǎo)率三個(gè)參數(shù)緊密關(guān)聯(lián)。例如，增大塞貝克系數(shù)、提高電導(dǎo)率或降低熱導(dǎo)率均可提升電池轉(zhuǎn)化效率。然而，這三個(gè)參數(shù)之間強(qiáng)耦合，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，使得熱化學(xué)電池效率的提升存在巨大挑戰(zhàn)。
在前期研究工作中，周軍團(tuán)隊(duì)以K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6水系熱化學(xué)電池基準(zhǔn)體系作為研究對(duì)象，通過特異性配體協(xié)同調(diào)控氧化還原對(duì)溶劑化結(jié)構(gòu)，獲得了熱化學(xué)電池領(lǐng)域最高塞貝克系數(shù)4.2mVK-1（Nat. Commun.?2018, 9, 5146）。在此工作基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)提出利用熱敏性晶體材料誘導(dǎo)可持續(xù)離子濃度梯度的科學(xué)思想（圖a），實(shí)現(xiàn)了塞貝克系數(shù)和有效熱導(dǎo)率的協(xié)同優(yōu)化，獲得了目前熱化學(xué)電池領(lǐng)域最高相對(duì)卡諾循環(huán)效率11.1%（圖b）。
通常，在封閉體系下離子濃度梯度為不可持續(xù)的熱力學(xué)非平衡態(tài)，必然會(huì)通過自發(fā)擴(kuò)散過度到離子均勻分布的熱力學(xué)平衡態(tài)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，胍離子與亞鐵氰根離子結(jié)合會(huì)形成一種全新的熱敏性晶體材料——亞鐵氰鉀胍水合物（K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6·6H2O）。
該材料具有低的晶格能以及高的溶解熵，展現(xiàn)出優(yōu)異的溶解度溫敏性。由于熱敏性晶體材料的引入，在有溫差存在的情況下，可以在器件的熱冷兩端形成穩(wěn)定的亞鐵氰根離子濃度梯度。例如，在50℃ 溫差條件下，亞鐵氰根離子濃差可達(dá)47倍，相應(yīng)塞貝克系數(shù)從基準(zhǔn)體系的1.4 mVK-1提升至3.73mVK-1。此外，由于器件熱端還存在大量未溶解的晶體沉淀物，從而可極大地抑制溶液對(duì)流，大幅降低有效熱導(dǎo)率?；谝陨蟽牲c(diǎn)原因，實(shí)現(xiàn)了熱化學(xué)電池相對(duì)卡諾循環(huán)效率的大幅度提升。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開發(fā)出熱化學(xué)電池模組原型，在50℃溫差條件下驅(qū)動(dòng)了多種商業(yè)化電子器件，并實(shí)現(xiàn)為智能手機(jī)充電（圖c），證實(shí)水系熱化學(xué)電池具有廣闊的應(yīng)用前景。
該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、中組部青年拔尖人才支持計(jì)劃、華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)、武漢光電國(guó)家研究中心主任基金等經(jīng)費(fèi)支持。在研究過程中，還得到了復(fù)旦大學(xué)許寧生院士、中山大學(xué)鄧少芝教授、武漢大學(xué)鄧鶴翔教授、華中科技大學(xué)唐江教授、同濟(jì)大學(xué)裴艷中教授和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊助理教授等人的幫助。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd6749?rss=1
