來自太陽的光能和周圍環(huán)境中的熱能是自然界饋贈(zèng)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(jī)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(zhuǎn)化/存儲(chǔ)太陽能，人們基于光物理或光化學(xué)的原理開發(fā)了多種技術(shù)，如太陽能集熱器、太陽能電池和太陽能燃料等。同時(shí)，為了吸收并利用環(huán)境熱能，人們基于熱物理或熱化學(xué)的原理也發(fā)展了多種技術(shù)，如相變儲(chǔ)熱、熱電和熱泵等。

如果一個(gè)能量系統(tǒng)可以同時(shí)存儲(chǔ)兩種或多種能量，則其能量密度會(huì)大大提升，而且這種復(fù)合的能量系統(tǒng)可能會(huì)通過不同種能量的協(xié)同作用超越單一能量系統(tǒng)的性能。然而，能夠同時(shí)存儲(chǔ)太陽能和環(huán)境熱的能源利用技術(shù)還未受到科學(xué)界重視。

近日，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李濤課題組攜手查爾莫斯理工大學(xué)Kasper Moth-Poulsen教授、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶鵬研究員在分子光熱技術(shù)上取得了重要進(jìn)展，報(bào)道了利用光化學(xué)相變可以實(shí)現(xiàn)太陽光和環(huán)境熱的同步存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化，并首次發(fā)現(xiàn)了光能驅(qū)動(dòng)熱能的品位提升。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了能夠在室溫下發(fā)生光化學(xué)固液相變（即trans晶體?cis液體轉(zhuǎn)化）的小分子偶氮儲(chǔ)能材料。在trans晶體→cis液體轉(zhuǎn)化過程中，分子可以通過光異構(gòu)反應(yīng)和相變同時(shí)吸收大量的光能和室溫?zé)崮?，再通過觸發(fā)cis液體→trans晶體的轉(zhuǎn)變，所存儲(chǔ)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(xué)相變循環(huán)，分子材料可以吸收、存儲(chǔ)“免費(fèi)的”的太陽能和環(huán)境熱，并在所需的時(shí)候產(chǎn)出具有利用價(jià)值的高溫?zé)崮埽珊唵蚊枋鰹椋汗?低溫?zé)帷邷責(zé)帷?/p>

圖1.光熱同步存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的示意圖與分子設(shè)計(jì)。

圖2.雙向光化學(xué)相變的照片展示。

這類偶氮小分子的能量密度達(dá)到了0.3-0.4MJ/kg，在室溫環(huán)境下能量可以被長期地存儲(chǔ)起來（月級(jí)別）。該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步展示了柔性的薄膜儲(chǔ)能器件，它的功率密度可達(dá)2.7kW/kg，所釋放出的熱量比室溫高20℃以上，并在多次的儲(chǔ)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(chǔ)與釋放性能。

能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化過程的熱力學(xué)分析表明：基于光化學(xué)相變的光熱儲(chǔ)能不是簡單的光異構(gòu)儲(chǔ)能與相變熱儲(chǔ)能的結(jié)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(jìn)，無論是科學(xué)內(nèi)涵的豐富性還是材料所能達(dá)到的性能都超越了單純的光儲(chǔ)能與熱儲(chǔ)能。特別地，由于光能的參與，所儲(chǔ)存的室溫?zé)崮芸梢葬尫艦楦邷責(zé)崮?，這實(shí)際上表明了光能可以驅(qū)動(dòng)熱能的品位提升，從而開辟了利用可再生能源來升級(jí)熱能的先河。

圖4.能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化過程的熱力學(xué)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(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFA0207500)和國家自然科學(xué)基金(51673114,51973111)等的資助。