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來自太陽的光能和周圍環(huán)境中的熱能是自然界饋贈給人類的兩種取之不盡用之不竭的能量。隨著全球能源危機和環(huán)境問題的加重，這兩種能量的有效利用受到了極大的重視。為了有效地轉化/存儲太陽能，人們基于光物理或光化學的原理開發(fā)了多種技術，如太陽能集熱器、太陽能電池和太陽能燃料等。同時，為了吸收并利用環(huán)境熱能，人們基于熱物理或熱化學的原理也發(fā)展了多種技術，如相變儲熱、熱電和熱泵等。

如果一個能量系統可以同時存儲兩種或多種能量，則其能量密度會大大提升，而且這種復合的能量系統可能會通過不同種能量的協同作用超越單一能量系統的性能。然而，能夠同時存儲太陽能和環(huán)境熱的能源利用技術還未受到科學界重視。

近日，上海交通大學化學化工學院李濤課題組攜手查爾莫斯理工大學Kasper Moth-Poulsen教授、上海交通大學材料科學與工程學院陶鵬研究員在分子光熱技術上取得了重要進展，報道了利用光化學相變可以實現太陽光和環(huán)境熱的同步存儲與轉化，并首次發(fā)現了光能驅動熱能的品位提升。

該團隊開發(fā)了能夠在室溫下發(fā)生光化學固液相變（即trans晶體?cis液體轉化）的小分子偶氮儲能材料。在trans晶體→cis液體轉化過程中，分子可以通過光異構反應和相變同時吸收大量的光能和室溫熱能，再通過觸發(fā)cis液體→trans晶體的轉變，所存儲的能量將釋放為較高溫度的熱能。也就是說，通過這種可逆的光化學相變循環(huán)，分子材料可以吸收、存儲“免費的”的太陽能和環(huán)境熱，并在所需的時候產出具有利用價值的高溫熱能，可簡單描述為：光+低溫熱→高溫熱。

圖1.光熱同步存儲與轉化的示意圖與分子設計。

圖2.雙向光化學相變的照片展示。

這類偶氮小分子的能量密度達到了0.3-0.4MJ/kg，在室溫環(huán)境下能量可以被長期地存儲起來（月級別）。該團隊還進一步展示了柔性的薄膜儲能器件，它的功率密度可達2.7kW/kg，所釋放出的熱量比室溫高20℃以上，并在多次的儲能/放熱循環(huán)中性能保持穩(wěn)定。

圖3.分子材料及其薄膜器件的能量存儲與釋放性能。

能量存儲與轉化過程的熱力學分析表明：基于光化學相變的光熱儲能不是簡單的光異構儲能與相變熱儲能的結合，在能量捕獲與釋放的過程中光能和熱能這兩股能量互相配合，共同促進，無論是科學內涵的豐富性還是材料所能達到的性能都超越了單純的光儲能與熱儲能。特別地，由于光能的參與，所儲存的室溫熱能可以釋放為高溫熱能，這實際上表明了光能可以驅動熱能的品位提升，從而開辟了利用可再生能源來升級熱能的先河。

圖4.能量存儲與轉化過程的熱力學分析。

這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，上海交通大學博士后張召陽是該論文的第一作者，李濤特別研究員與Kasper Moth-Poulsen教授為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2017YFA0207500)和國家自然科學基金(51673114,51973111)等的資助。